一种柔性温度传感器阵列及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种柔性温度传感器阵列，其包括热敏层、柔性基底以及导线，所述热敏层设置于所述柔性基底上，所述热敏层由若干温度传感单元以固定间距排布形成，所述导线按设定的线路粘附在所述柔性基底上并与所述温度传感单元连接，所述温度传感单元由(聚(3,4

【技术实现步骤摘要】
一种柔性温度传感器阵列及其制备方法


[0001]本专利技术属于传感器材料领域，具体涉及一种柔性温度传感器阵列及其制备方法。

技术介绍

[0002]近些年来，用于人机交互过程中的柔性传感器或柔性传感阵列的需求与日俱增。在人机交互方面，可穿戴设备是一种可穿戴的便携式计算设备，内嵌有多种高精度传感器作为输入终端，是一种人机直接无缝、充分连接的交互方式，其中触觉交互是目前可穿戴设备产业中比较新的人机交互技术，对人机之间的信息交流和沟通方式将产生深远的影响。触觉是人类与外界交流并感受外界的重要通道之一。物体的软硬、冷暖、大小以及形状等信息，都可以在触摸中感知。触觉交互研究如何利用触觉信息增强人与计算机和机器人的交流，得益于传感器、算法、芯片的技术进步，人机交互技术的应用潜力已经开始展现，包括在手术模拟训练、娱乐、机器人遥控操作、远程医疗、机器人皮肤等领域。可穿戴设备的无限潜能也让其成为科学研究的方向所在，也将会是未来人类在虚拟现实中“真实”的感知外界的一种关键交互技术。热点技术的应用开发是机遇也是挑战，其中基于温度传感器的传感阵列存在识别率低，实时性差，需要针对柔性传感器进行性能优化、数据处理、算法优化等方法以提高传感效果。另外，更合理的阵列化温度传感器对机器人识别物体，实现机器人自主感知外界实现类似人体皮肤功能的作用具有深远的现实意义。
[0003]目前，用于柔性温度传感阵列的制备方法主要有以下几种：
[0004]1.将0.5mL二甲基亚砜用作导电性增强剂，然后将其加入10mL PEDOT：PSS水溶液。石墨烯纳米片添加到上述的混合溶液中。在室温下磁力搅拌3h分散混合溶液，然后将其置于50W的超声浴中15分钟。将分散后的溶液滴铸到经10％HCl(盐酸)溶液浸泡1小时的聚酰亚胺基底上。放置在加热板上以150℃进行1小时的退火，得到3
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4微米厚的非透明石墨烯/PEDOT：PSS薄膜。接下来，将PVA(聚乙烯醇)水溶液滴铸到干燥的PEDOT：PSS/石墨烯复合材料表面上。将复合材料在环境条件下干燥48小时以上。最后，从聚酰亚胺基底上剥离PEDOT：PSS/石墨烯/PVA复合材料。通过掩模打印电极可以形成柔性，半透明传感器阵列。此方法制备的柔性温度传感器具有很强的透明性和热电性能。
[0005]2.将GPANI(聚苯胺/石墨烯)、PVB(聚乙烯醇缩丁醛)、无水乙醇以质量比为0.1:5:100的比例混合搅拌4h后超声处理30min。柔性基底是以10个宽为4毫米的条状ITO电极以间隔1毫米在PET薄膜上平行排列而成。然后用麦勒棒涂布器将处理好的混合物均匀地涂在ITO
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PET基底上，随后在80℃下退火15分钟以消除酒精，形成干燥的薄膜。在没有任何间隔的情况下，将同样的ITO
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PET基底附在薄膜上，并使上下两层ITO
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PET基底上的电极呈垂直分步。在PET的周围用紫外线环氧胶带将顶部和底部基板固定，完成制备GPANI
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PVB复合薄膜温度传感器。该柔性传感器具有高透明度和阵列制备简单的优势。
[0006]3.将硫酸(360ml)/磷酸(40ml)与3g石墨混合。然后在持续保持45℃的恒定温度下连续搅拌16h的同时将18g高锰酸钾滴加进上述混合物中。然后将混合物冷却至室温，将分散体倒在400g冰上进行淬灭反应。将过氧化氢缓慢地逐滴加入到冷却的溶液中，直到分散
体变成发白的黄色。通过离心将浆液与酸分离，然后重悬于去离子水中。所得的GO(氧化石墨烯)用盐酸洗涤两次后用乙醇洗涤三次，将上述浆液以20000rpm离心10分钟，然后进行两次乙酸置换溶液，将GO浆液转移到乙酸中，最终形成浓度为1mg mL
‑1的溶液。将该混合物煮沸，并加入约0.04g的PHB(聚羟基丁酸)粒剂作为稳定剂；在118℃下剧烈搅拌加热2h，将抗坏血酸添加到悬浮液中(抗坏血酸：GO重量比为2：1)。在118℃下搅拌形成rGO(还原氧化石墨烯)/PHB复合溶液。为了制造温度传感器，将复合溶液充分摇匀，然后在140℃的热板上滴一滴到柔性PET基底上已经印刷完成的银电极上，继续加热基板1min左右直到所有溶剂蒸发为止，实现制备温度敏感阵列。该传感阵列具有映射对象的温度轮廓的能力。
[0007]4.将0.5g直径为50nm的原始粒子态的NiO(氧化镍)粉末与1g乙二醇和9g去离子水混合以形成水性混合物。然后将NiO混合物用均质器超声处理10分钟。通过用二乙醇胺还原AgNO3合成银纳米颗粒。将合成的银纳米颗粒进行离心、洗涤并重新悬浮在30vol％的乙二醇水溶液中以形成10wt％的银油墨。再次将银和NiO混合墨水在3000rpm下离心10分钟。使用压电打印机在玻璃板或聚酰亚胺薄膜上打印图案，其中在喷射速度为2.5m/s的条件下，将银和NiO混合墨水喷射成直径为55μm的液滴。以25mm/s的印刷速度，以50μm的点间距印刷图案，形成直线或方形薄膜。将沉积有NiO薄膜的银导线在炉中于200℃的温度下加热1小时。
[0008]虽然上述传感阵列基本可以感测到物体的温度，但仍存在一些不足。
[0009]1.基于PEDOT：PSS/石墨烯的柔性温度传感阵列，测量波动大，应用范围小。
[0010]2.基于GPANI/PVB的柔性温度传感阵列，感测范围小，体积较大。
[0011]3.基于PHB/rGO的柔性温度传感阵列，制备过程较复杂，灵敏度低。
[0012]4.基于NiO/Ni墨水的柔性温度传感阵列，寿命短，对设备要求较高。

技术实现思路

[0013]本专利技术主要针对目前柔性温度传感阵列灵敏度不高，精度不高，制备过程复杂和响应时间长而并不适用于康复机器人的技术难题，专利技术了一种基于PEDOT:PSS/CNTs/rGO复合材料的柔性温度传感阵列，不仅在传感精度和感测范围有较大提升，同时也降低了传感器的响应时间。具体通过以下技术方案实现：
[0014]本专利技术提供了一种柔性温度传感器阵列，其包括热敏层、柔性基底以及导线，所述热敏层设置于所述柔性基底上；
[0015]所述热敏层由若干温度传感单元以固定间距排布形成；
[0016]所述导线按设定的线路粘附在所述柔性基底上并与所述温度传感单元连接；
[0017]所述温度传感单元由(聚(3,4
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乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))/碳纳米管/还原氧化石墨烯复合薄膜制备得到。
[0018]进一步地，所述若干温度传感单元采用多路复用线路连接。
[0019]进一步地，所述若干温度传感单元排布成方形阵列、菱形阵列、扇形阵列、圆形阵列或环型阵列。
[0020]本专利技术还提供了上述柔性温度传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：
[0021]将改性后的单壁碳纳米管、还原氧化石墨烯加入到(聚(3,4
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乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))水溶液中，分散均匀后，真空抽滤并干燥，得到所述(聚(3,4
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性温度传感器阵列，其特征在于，包括热敏层、柔性基底以及导线，所述热敏层设置于所述柔性基底上；所述热敏层由若干温度传感单元以固定间距排布形成；所述导线按设定的线路粘附在所述柔性基底上并与所述温度传感单元连接；所述温度传感单元由(聚(3,4
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乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))/碳纳米管/还原氧化石墨烯复合薄膜制备得到。2.根据权利要求1所述的柔性温度传感器阵列，其特征在于，所述若干温度传感单元采用多路复用线路连接。3.根据权利要求1所述的柔性温度传感器阵列，其特征在于，所述若干温度传感单元排布成方形阵列、菱形阵列、扇形阵列、圆形阵列或环型阵列。4.一种根据权利要求1
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3任一项所述的柔性温度传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将改性后的单壁碳纳米管、还原氧化石墨烯加入到(聚(3,4
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乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))水溶液中，分散均匀后，真空抽滤并干燥，得到所述(聚(3,4
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乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))/碳纳米管/还原氧化石墨烯复合薄膜；将所述(聚(3,4
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乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))/碳纳米管/还原氧化石墨烯复合薄膜按设定的图形结构进行切割，得到若干温度传感单元；将所述若干温度传感单元以固定间距粘附在所述柔性基底上；将导线按设定的路线粘附在所述柔性基底上并与所述温度传感单元通过银浆进行连接，形成多路复用线路；待所述银浆固化后，进行封装、干燥，得到所述柔性温度传感器阵列。5.根据权利要求4所述的柔性温度传感器阵列的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、酸洗碳纳米管：取碳纳米管粉末加入到H2SO4/H2O2混合液中，加热并冷凝回流，待冷却至室温后，用去离子水洗涤至溶液成中性，将所述溶液进行真空抽滤后干燥，制得酸洗后的碳纳米管；S2、制备还原氧化石墨烯：将氧化石墨烯粉末加入水中，得到分散的氧化石墨烯溶液，滴加还原剂到所述氧化石墨烯溶液中，经反应得到还原氧化石墨烯溶液；随后将所述还原氧化石墨烯溶液洗涤至中性，抽滤并干燥，得到还原氧化石墨烯粉末；S3、制备复合溶液：向PEDOT:PSS水溶液中加入二甲基亚砜溶液，然后加入S1中所述酸洗后的碳纳米管、S2中所述还原氧化石墨烯粉末以及十二烷基苯磺酸钠粉末，搅拌并分散，得到复合溶液；S4、制备复合薄膜：将S3所述复合溶液进行离心后抽滤，然后加热、干燥，得到(聚(3,4
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【专利技术属性】
技术研发人员：李晖，苏毅，朱正芳，王磊，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：