压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种压力

【技术实现步骤摘要】
压力
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应变双模态信号同时检测的柔性传感器及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种柔性传感器，具体涉及一种基于低维纳米材料的压力
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应变双模柔性传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]可穿戴电子设备因其在人体运动监控，人工智能设备和生物电子学中的巨大潜力而受到广泛关注。近年来，随着金属纳米线，碳纳米管，石墨烯，炭黑，MXene等低维纳米材料的发展，在具有高灵敏度或高拉伸性的柔性传感器方面取得了重大进展。
[0003]柔性应变或压力传感器的传感机理是基于传感器在受到拉伸/压力作用时，传感器的柔性基底发生拉伸/压缩形变，附着在柔性基底上的敏感层结构尺寸随柔性基底发生形变，进而实现敏感层结构的电学输出信号随应变发生变化，其变化量与形变的大小有关。但是，大多数报道的可穿戴传感器系统通常设计用于单模测量，即只能检测一个外界参数，不能实现来自于人体运动时的多模（多参数）激励状态区分。少数具备多模态监测的柔性传感器，通常基于单一传感机理。例如，传感器以相反的电阻响应来响应切向拉力和法向压力。正常压力会导致电阻值减小，而切向拉伸力会导致电阻值增大。通过将电阻时间曲线的形状与给定的刺激相关联，可以区分诸如弯曲，拉伸和压缩等激励。但当同时存在两个不同的激励信号，如切向拉力和法向压力同时作用时，这类传感器并不能很好的对激励信号作出分辨识别。因此，可穿戴电子设备如何实现对人体运动时不同部位运动状态检测，并完成这对不同部位运动状态的特征分析与健康监测是一个研究难点。

技术实现思路
/>[0004]专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种压力
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应变双模态信号同时检测的柔性传感器，解决人体不同部位应变与压力信号解耦问题；同时提供该传感器的材料与结构制备方法，简单易行。
[0005]技术方案：一种压力
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应变双模态信号同时检测的柔性传感器，包括由下至上依次设置的下封装保护层、下电极板、第一金属引线层、多孔电介质层、第二金属引线层、上电极板，以及上封装保护层；其中，所述下电极板和上电极板的材料为低维纳米材料，制备器件时，所述下电极板的低维纳米材料向所述下封装保护层的上表面扩散形成第一扩散层，所述上电极板的低维纳米材料向所述多孔电介质层的上表面扩散形成第二扩散层，所述低维纳米材料在所述第一扩散层和第二扩散层内部形成导电通道；所述下电极板和上电极板作为电容器结构的极板部分用于感知压力信号，同时作为应变计结构用于感知拉伸信号。
[0006]进一步的，所述下封装保护层、上封装保护层的材料为绝缘弹性聚合物。
[0007]进一步的，所述多孔电介质层采高介电常数的有机柔性材料。
[0008]进一步的，所述低维纳米材料为碳纳米管或银纳米线；所述下电极板中，碳纳米管或银纳米线的前端嵌入下封装保护层中，部分碳纳米管或银纳米线的末端嵌入多孔电介质层中，部分碳纳米管或银纳米线未嵌入所述多孔电介质层的末端在平面构成导电通路；所
述上电极板中，碳纳米管或银纳米线的前端嵌入多孔电介质层中，部分碳纳米管或银纳米线的末端嵌入上封装保护层中，部分碳纳米管或银纳米线未嵌入所述上封装保护层的末端在平面构成导电通路。
[0009]进一步的，所述下封装保护层采用浇筑法制备，在半固化的下封装保护层上表面刷涂低维纳米材料后加热固化，形成所述下电极板以及第一扩散层。
[0010]进一步的，所述多孔电介质层采用浇筑法制备，并在半固化的多孔电介质层上表面刷涂低维纳米材料后加热固化，形成所述上电极板以及第二扩散层。
[0011]一种压力
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应变双模态信号同时检测的柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：将绝缘弹性聚合物原料搅拌均匀后浇筑在模板中，制备下封装保护层；待下封装保护层半固化后，在下封装保护层的上表面刷涂低维纳米材料，低维纳米材料向所述下封装保护层的上表面扩散形成第一扩散层，然后采用烘箱加热固化，形成下电极板；步骤2：在下电极板的上表面两端粘贴金属引线层，用于引出电极导线；步骤3：在下电极板与金属引线层上均匀排布细铜丝并浇筑绝缘弹性聚合物，作为多孔电介质层，然后在半固化的多孔电介质层的上表面两端粘贴第二金属引线层，并刷涂低维纳米材料，低维纳米材料向所述多孔电介质层的上表面扩散形成第二扩散层，然后采用烘箱加热固化，形成上电极板；步骤4：在上电极板的表面浇筑绝缘弹性聚合物，加热固化后形成上封装保护层；步骤5：去除模板，并将用作模具的细铜丝抽离，形成孔隙，完成器件制备。
[0012]有益效果：与现有的技术相比，本专利技术具有以下有益效果：第一，该双模态集成式柔性传感器采用电容式和电阻式两种不同的传感机理，分别用于感知压力和拉伸应变的激励且彼此间不相互影响，以满足应变与压力信号的同时检测，可实现人体运动中关节处压力刺激与拉伸刺激的解耦。该传感器根据人体不同部位的运动特征同时输出的电阻与电容信号，可以进行人工智能算法识别，实现对人体不同部位运动的判断检测。
[0013]第二，提出一体式浇筑工艺实现传感器制备，不仅工艺流程简单，而且通过在半固化时刷涂低维纳米材料，可以实现使其两端嵌入上下方的弹性体，达到上下层形成有效的衔接形成一体式传感器结构，无需后期额外的组装粘合，使得传感器的机械特性得到保证，可以提高传感器的重复性与可靠性高。第三，采用细铜丝作为模具浇筑后抽离形成可控大小的多孔结构，提高电容传感器对压力的灵敏度，减少拉伸应变对电容变化的影响，并优化传感器的回滞特性，且不会影响一体式浇筑流程。现有技术多采用发泡方式制备多孔介质层，孔隙大小不可控，且需使用粘合剂与上下电极板装配在一起，影响器件使用寿命。
[0014]此外，采用CDC芯片和ADC芯片分别采集所设计的双模态传感器的电容和电阻，并转化为数字信号。将所采集的数据输送至MCU进行运算处理并通过蓝牙或5G模块传输至接收端，接收端的MCU将所接受到的数据进行处理，对对应的伺服电机进行控制，可实现远程控制方案。
附图说明
[0015]图1为本专利技术柔性传感器的结构示意图；图2为本专利技术柔性传感器制备方法步骤一的结构剖视图制备流程图；图3为本专利技术柔性传感器制备方法步骤二的结构剖视图制备流程图；
图4为本专利技术柔性传感器中低维纳米材料一端嵌入弹性体的SEM图像；图5为本专利技术柔性传感器制备方法步骤三的结构剖视图制备流程图；图6为本专利技术柔性传感器制备方法步骤四的结构剖视图制备流程图；图7为本专利技术柔性传感器制备方法步骤五的结构剖视图制备流程图；图8为本专利技术柔性传感器制备方法步骤六的结构剖视图制备流程图；图9为本专利技术柔性传感器制备方法步骤七的结构剖视图制备流程图；图10为本专利技术实例中远程控制方案框架图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。
[0017]如图1所示，一种压力
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应变双模态信号同时检测的柔性传感器，包括由下至上依次设置的下封装保护层1、下电极板2、第一金属引线层3、多孔电介质层4、第二金属引线层6、上电极板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压力
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应变双模态信号同时检测的柔性传感器，其特征在于，包括由下至上依次设置的下封装保护层（1）、下电极板（2）、第一金属引线层（3）、多孔电介质层（4）、第二金属引线层（6）、上电极板（7），以及上封装保护层（8）；其中，所述下电极板（2）和上电极板（7）的材料为低维纳米材料，制备器件时，所述下电极板（2）的低维纳米材料向所述下封装保护层（1）的上表面扩散形成第一扩散层，所述上电极板（7）的低维纳米材料向所述多孔电介质层（4）的上表面扩散形成第二扩散层，所述低维纳米材料在所述第一扩散层和第二扩散层内部形成导电通道；所述下电极板（2）和上电极板（7）作为电容器结构的极板部分用于感知压力信号，同时作为应变计结构用于感知拉伸信号。2.根据权利要求1所述的压力
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应变双模态信号同时检测的柔性传感器，其特征在于，所述下封装保护层（1）、上封装保护层（8）的材料为绝缘弹性聚合物。3.根据权利要求1所述的压力
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应变双模态信号同时检测的柔性传感器，其特征在于，所述多孔电介质层（4）采高介电常数的有机柔性材料。4.根据权利要求1所述的压力
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应变双模态信号同时检测的柔性传感器，其特征在于，所述低维纳米材料为碳纳米管或银纳米线；所述下电极板（2）中，碳纳米管或银纳米线的前端嵌入下封装保护层（1）中，部分碳纳米管或银纳米线的末端嵌入多孔电介质层（4）中，部分碳纳米管或银纳米线未嵌入所述多孔电介质层（4）的末端在平面构成导电通路；所述上电极板（7）中，碳纳米管或银纳米线的前端嵌入多孔电介质层（4）中，部分碳纳米管或银纳米线的末端嵌入上封装保护层（8）中，部分碳纳米管...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂萌，问磊，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：