本发明专利技术涉及一种耐高温柔性压力传感器及其制备方法和应用，所述耐高温柔性压力传感器包括第一电极、第二电极以及设置在所述第一电极和第二电极之间的介电层；所述第一电极和第二电极选自碳纤维布，所述介电层选自具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜。本发明专利技术提供的压力传感器具有较高的柔性和透气性，轻便，可长期穿戴而不引起皮肤不适感，同时具有优异的耐高温性，可耐受高达1300℃的瞬时高温，在370℃下可长期稳定工作。
A pressure sensor with high softness and its preparation and Application
【技术实现步骤摘要】
一种耐高温柔性压力传感器及其制备方法和应用
本专利技术涉及电子
，尤其涉及一种耐高温柔性压力传感器及其制备方法和应用。
技术介绍
随着人们对智能仿生柔性电子器件需求的日益增长，类皮肤柔性传感器在生物医学、人机交互以及软体机器人等新兴领域展现出巨大的应用前景。通过在人体不同部位佩戴柔性压力传感器，人体许多重要的生理信号(如血压、心率和眼压等)和运动行为(如眨眼、走路、跳跃和蹲起等)可以得到实时监控和及时分析，从而提供一种全时、高效的家庭医疗保健方式。这种基于家庭医疗概念的分散式医疗保健服务有望彻底改变目前基于医院等传统医疗系统的看病就医方式。为了确保在日常活动中实时监测得到的生理健康数据及运动评估结果的准确性，可穿戴式传感设备必须保证在长期使用过程中性能的一致性和可靠性。此外，人体皮肤由于具有柔软、形变量大以及湿度可调节等生物特性，直接接触硬质且不透气透湿的装置可能会产生皮肤不适甚至炎症反应。因此，适用于可移动场景及日常生活长期佩戴的理想可穿戴式设备应该具有重量轻、力学柔性、佩戴舒适且透气性好等特点。此外，目前亟需开发出一类能够在恶劣环境中(包括高/低温环境、高盐度、高/低湿度以及超高压等极端条件)使用的可穿戴式传感器。例如，通过对火灾现场消防员进行生理健康监测得到其重要生命体征参数(包括心率、呼吸速率、体温等)可以为火场外的指挥官提供重要的实时信息，以便其对现场作业人员所在环境的危险程度做出关键性判断，从而提高消防员的安全性和存活率。然而，目前广泛使用的耐高温传感器主要为硅基及陶瓷类材料，这些材料硬度高且造价昂贵，而基于高分子聚合物材料的柔性传感器在复杂环境下会产生严重的性能退化甚至功能失效。合肥中科芯微电子有限公司孙义祥等人(CN207215149U)提出了一种可拆卸的耐高温传感器，将一体式的传感器外壳改进为可拆分的外壳本体，壳体改成主要由陶瓷表层和设置在陶瓷表层内的陶瓷纤维填充层组成，用氟橡胶密封。既能够达到良好的耐高温作用，又能够减轻传感器的重量，并方便检修。但是该传感器不具备力学柔性，不适用于人体佩戴使用。四川汇源吉迅数码科技有限公司贺麟等人(CN204287153U)专利技术了一种用于碳排放检测的耐高温传感器。它包括外部腔体和内部电路，外部腔体包括上腔体和下腔体，上腔体的侧壁设置有多个传感器探头，下腔体的侧壁设置有一个信号输出孔；上腔体、下腔体和固定件的材料为聚碳酸酯。该专利技术采用单片机控制，具有结构简单、稳定性高、对信号处理速度快、体积小和成本低的优点。但是，该传感器使用硬质材料，无法弯曲或拉伸。华南师范大学的陆旭兵等人(CN110455317A)利用云母作为衬底，脉冲激光沉积法制备的La0.7Sr0.3MnO3薄膜作为导电层，金属Pt作为电极制得耐高温电阻式柔性传感器。该专利技术在温度范围为25℃～500℃之间具有良好的应力、磁场和光响应特性、耐疲劳特性以及稳定性。然而，金属Pt在高温下容易氧化形成PtO2影响电极的导电性，且La0.7Sr0.3MnO3薄膜的制备相对复杂，成本高。因此，本领域亟待开发一种柔性好、透气透湿性高、制备工艺简单且在高温下能够正常工作的柔性压力传感器。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种耐高温柔性压力传感器，所述压力传感器柔性提升，透气透湿性高，轻便，可长期穿戴而不引起皮肤的不适，耐高温，结构简单，成本低，灵敏度高，器件稳定性强。为达此目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供一种耐高温柔性压力传感器，所述耐高温柔性压力传感器包括第一电极、第二电极以及设置在所述第一电极和第二电极之间的介电层；所述第一电极和第二电极选自碳纤维布，所述介电层选自具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜。本专利技术采用耐高温的碳纤维布作为电极、陶瓷纳米纤维网络作为介电层，由于碳纤维布与陶瓷纳米纤维网络具有高孔隙率和优异的柔韧性，使得到的压力传感器具有较高的柔性和透气性，轻便，可长期穿戴而不引起皮肤不适感，同时具有优异的耐高温性，可耐受高达1300℃的瞬时高温，在370℃下可长期稳定工作。此外，本专利技术所设计的传感器结构简单，成本低，适合规模化制备，采用电容式传感机理，灵敏度高，器件稳定性强。优选地，所述陶瓷纳米纤维包括TiO2纳米纤维、Al2O3纳米纤维、ZrO2纳米纤维、SiC纳米纤维、BN纳米纤维、BaTiO3纳米纤维或SiO2纳米纤维中的任意一种或至少两种组合，优选TiO2纳米纤维。优选地，所述陶瓷纳米纤维的平均直径为50～500nm，例如100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm等，优选120nm。优选地，所述陶瓷纳米纤维为锐钛矿相。优选地，所述陶瓷纳米纤维为多晶结构。优选地，所述具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜的制备方法包括静电纺丝法、模板法或自组装法，优选静电纺丝法。优选地，所述具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜的制备方法包括如下步骤(如图1所示)：使用溶胶凝胶法制备的前驱体溶液进行静电纺丝，再经热处理，得到所述具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜。优选地，所述前驱体溶液中含有钛盐、聚合物和溶剂。优选地，所述钛盐包括钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、钛酸正丙酯、四氯化钛或异丙醇钛中的任意一种或至少两种组合。优选地，所述高分子聚合物包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇(PVA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙二醇、聚乙烯醇缩丁醛酯、聚丙烯腈或聚苯乙烯中的任意一种或至少两种组合。优选地，所述聚合物和钛盐的质量比为(0.8～1.2):1，例如0.85:1、0.9:1、0.95:1、1:1、1.05:1、1.1:1、1.15:1等，优选1:1。优选地，所述溶剂包括无水乙醇和/或冰醋酸。优选地，所述无水乙醇和冰醋酸的质量比为(2～4):1，例如2.1:1、2.2:1、2.3:1、2.4:1、2.5:1、2.6:1、2.7:1、2.8:1、2.9:1、3:1、3.1:1、3.2:1、3.3:1、3.4:1、3.5:1、3.6:1、3.7:1、3.8:1、3.9:1等，优选3:1。优选地，所述具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜的制备方法包括：将前驱体溶液通过注射泵加入至静电纺丝装置中。优选地，所述静电纺丝的负电压值为-3～-1kV，例如-2.8kV、-2.6kV、-2.4kV、-2.2kV、-2kV、-1.8kV、-1.6kV、-1.4kV、-1.2kV等，优选-2kV。优选地，所述静电纺丝的正电压为12～30kV，例如13kV、15kV、17kV、19kV、21kV、23kV、25kV、27kV、29kV等，优选16kV。优选地，所述注射泵的泵速为10～30μL·min-1，例如11μL·min-1、15μL·min-1、20μL·min-1、25μL·min-1、29μL·min-1等，优选15μL·min-1。优选地，所述静电纺丝中，注射器针头末端与收集板之间的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种耐高温柔性压力传感器，其特征在于，所述耐高温柔性压力传感器包括第一电极、第二电极以及设置在所述第一电极和第二电极之间的介电层；/n所述第一电极和第二电极选自碳纤维布，所述介电层选自具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜。/n
【技术特征摘要】
1.一种耐高温柔性压力传感器，其特征在于，所述耐高温柔性压力传感器包括第一电极、第二电极以及设置在所述第一电极和第二电极之间的介电层；
所述第一电极和第二电极选自碳纤维布，所述介电层选自具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜。
2.根据权利要求1所述的耐高温柔性压力传感器，其特征在于，所述陶瓷纳米纤维包括TiO2纳米纤维、Al2O3纳米纤维、ZrO2纳米纤维、SiC纳米纤维、BN纳米纤维、BaTiO3纳米纤维或SiO2纳米纤维中的任意一种或至少两种组合，优选TiO2纳米纤维。
3.根据权利要求1或2所述的耐高温柔性压力传感器，其特征在于，所述陶瓷纳米纤维的平均直径为50～500nm，优选120nm；
优选地，所述陶瓷纳米纤维为锐钛矿相；
优选地，所述陶瓷纳米纤维为多晶结构。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的耐高温柔性压力传感器，其特征在于，所述具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜的制备方法包括静电纺丝法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶剂热法、水热法或自组装法，优选静电纺丝法；
优选地，所述具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜的制备方法包括如下步骤：
使用溶胶凝胶法制备的前驱体溶液进行静电纺丝，再经热处理，得到所述具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜。
5.根据权利要求4所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述前驱体溶液中含有钛盐、高分子聚合物和溶剂；
优选地，所述钛盐包括钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、钛酸正丙酯、四氯化钛或异丙醇钛中的任意一种或至少两种组合；
优选地，所述高分子聚合物包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇缩丁醛酯、聚丙烯腈或聚苯乙烯中的任意一种或至少两种组合；
优选地，所述高分子聚合物和钛盐的质量比为(0.8～1.2):1，优选1:1；
优选地，所述溶剂包括无水乙醇和/或冰醋酸；
优选地，所述无水乙醇和冰醋酸的质量比为(2～4):1，优选3:1。
6.根据权利要求4或5所述的耐高温柔性压力传感器，其特征在于，所述具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜的制备方法包括：将前驱体溶液通过注射泵加入至静电纺丝装置中；
优选地，所述静电纺丝的负电压值为-3～-1kV，优选-2kV；
优选地，所述静电纺丝的正电压为12～30kV，优选16kV；
优选地，所述注射泵的泵速为10～30μL·min-1，优选15μL·min-...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄思雅，付敏，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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