[发明专利]一种基于荷叶微棘突/MXene复合结构的仿生柔性压力传感器

说明书

本发明公开了一种基于荷叶微棘突/MXene复合结构的仿生柔性压力传感器。该传感器包括：压力感知层——带有荷叶表面微棘突结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）；压力处理层——多层Ti₂C‑MXene薄膜；信号输出层——柔性电极，用于支撑保护Ti₂C‑MXene薄膜及输出压力信号转化的电信号。本发明的基于荷叶微棘突/MXene复合结构的仿生柔性压力传感器无需进行复杂的结构设计和制作工艺就能兼具高灵敏度、宽线性度、低响应时间、高稳定性等优良特性。

技术领域

本发明属于柔性电子及可穿戴器件领域及新材料技术领域，具体为一种基于荷叶微棘突/MXene复合结构的仿生柔性压力传感器。

背景技术

柔性电子器件是相对于传统的在硅圆片上制作的固态硬质电路的一个概念。这一类电子器件能够将原本只能在硅基硬质衬底上实现的电路，传感器，天线，执行器等电子器件通过各种不同的方式制作在柔性衬底上。使之在实现原本的器件功能的同时具备柔性特性。随着信息社会的发展，物联网技术的不断进步，人们对周边环境信息的采集深度与广度不断提升，柔性压力传感器作为一类十分重要的信息采集器件得到越来越广泛的应用。不仅如此，以柔性传感技术替代传统的传感技术，颠覆了对传统电子器件、传感器件及系统等形态和功能的认知，该类器件为社会生活的多个方面带来了革命性变化，有望被广泛地应用在机器人、医疗诊断、可穿戴电子设备，甚至人工器官、人机交互、智能蒙皮等领域，针对柔性压力传感器的研究也成为近年来的热点。

然而，尽管它们可以在许多报告中实现简单的应用显示，柔性压力传感器仍然不是生产寿命领域的一部分。这种缺失的一个主要原因是压力传感器的灵敏度和稳定性之间的权衡没有得到很好的平衡，更具体地说，缺乏对被测对象进行实时和长期可靠测量和区分的能力。

针对上述问题，已有研究团队提出采用不同形貌的先进材料来解决。特别是金属材料和具有不同形貌的碳基材料，由于其优异的电性能和机械性能，被用作压力传感器的传感元件或导电填料。此外，还引入了不同的微结构或纳米几何结构（金字塔、纳米线、半球和棱镜），以提高平面结构压力传感器的灵敏度和检测极限。然而，它们中的大多数在具有高灵敏度的同时没有宽的线性度，对低强度的外部刺激极不敏感。此外，还存在一些技术瓶颈，如高成本限制批量生产、识别结果精度低等。因此，研制一种与人体皮肤相似具有复杂传感系统的柔性压力传感器，不仅是一个巨大的挑战，也是一个重要的研究课题。

自然界常常为工程领域的发展提供灵感，特别是具有各种仿生结构的人造电子器件。表皮是生物皮肤中最重要的压力感知组织（图1a），其原因之一是表皮下有一层棘突。这种微观结构的一个特别有趣的特征是棘突随机分布——确保对物体附着的影响作出高度敏感的反应，在传入刺激中起到关键作用，以增强压力感知。令人惊讶的是，自然界中荷叶的表面结构（图1b）与此结构非常相似。这使得设计一种具有与人体皮肤相似的高压传感特性的柔性电子皮肤成为可能。

MXene作为新型2D过渡金属碳化物，碳氮化物和氮化物，具有良好的强度，优异的金属导电性，较大的比表面积等优异特性。在众多领域引起了广泛的关注和研究。另一方面，与最广泛研究的Ti₃C₂-MXene相比，Ti₂C具有更薄的单层厚度和更大的比表面积，因为Ti₂C由两个Ti层和一个C层组成，而Ti₃C₂由三个Ti层和两个C组成层。Ti₂C的上述优势使得在压力负荷下电导率变化大于Ti₃C₂，这将大大提高传感器的灵敏度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明以人体皮肤表皮组织结构为灵感，制备了一种三层结构的基于荷叶微棘突/MXene复合结构的仿生柔性压力传感器。传感器中压力感知层的微结构与人体表皮结构相似，具有很好的仿生性；传感器灵敏度高，响应度高，线性度宽，稳定性好。

本发明的技术方案具体介绍如下。