基于纤维交织结构的柔性压力传感器、阵列及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于纤维交织结构的柔性压力传感器及其制备方法。该压力传感器包括：聚合物薄膜衬底；叉指电极，形成在所述衬底上；压力敏感层，形成在所述叉指电极上，其中，所述压力敏感层为由聚合物基体材料和导电填料复合而成的纤维交织结构。本发明专利技术还提供呼吸传感器和行走速度传感器。通过使用本发明专利技术上述的基于纤维交织结构的柔性压力传感器，可以快速灵敏地对外界压力进行响应，并且改变压力敏感层中导电填料的含量可以实现对传感器灵敏度的调节，同时该传感器体积小且具有优异的动态压力响应能力及循环稳定性，可直接贴附于人体表皮用于感知人体生理信号，也可应用于对微小振动信号检测领域以及人机交互领域。小振动信号检测领域以及人机交互领域。小振动信号检测领域以及人机交互领域。

【技术实现步骤摘要】
基于纤维交织结构的柔性压力传感器、阵列及其制备方法


[0001]本专利技术涉及柔性传感器领域，具体地，涉及一种基于纤维交织结构的柔性压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着家电、汽车、信息产业、医疗技术等领域的爆炸式发展和扩张，对柔性压力传感器的需求越来越迫切。因此，柔性压力传感器制造业如雨后春笋般兴起，形成了一个独立的领域。其中，发展具有优异的传感性能的柔性触觉传感器是长期以来需要共同努力的目标。
[0003]在任何情况下，压力敏感层的设计对于柔性压力传感器传感性能的关键参数都具有重要的影响。压力敏感层一般包括基体材料和导电填料，其中，常见的基体材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)等聚合物高分子材料，常见的导电填料一般包括低维材料如金属、金属纳米线、碳纳米管、石墨烯等，它们以优异的电学和力学性能被广泛应用。
[0004]然而，虽然大多数柔性压力传感器的传感性能已足够满足可穿戴器件的应用，但由于材料本身特性的限制，柔性压力传感器的高灵敏度与宽域传感范围无法兼得已经成为其发展过程中的一个难题。因此，柔性压力传感器中压力敏感层的材料选择与微工程结构设计对于提升其传感器性能，实现在宽域传感范围内的高灵敏度具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于纤维交织结构的柔性压力传感器及其制备方法，以解决上述现有技术中的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于纤维交织结构的柔性压力传感器及其制备方法，其中，该传感器包括：衬底；叉指电极，形成在所述衬底上；压力敏感层，形成在所述叉指电极上；封装层，形成在所述压力敏感层上。通过改变压力敏感层中导电填料的含量可以实现对传感器灵敏度的调节。本专利技术还提供了一种制造具有高传感性能的柔性压力传感器的方法，其中，该方法包括：选择合适的柔性衬底；在所述衬底上制备叉指电极；在所述叉指电极上制备纤维交织结构的压力敏感层；选择合适的柔性封装层。
[0007]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0008]1、本专利技术提供的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的设计充分利用了聚合物基体材料如聚丙烯腈(PAN)纳米纤维纺丝薄膜和导电填料如MXene(Ti3C2T
x
)之间的协同作用。其中，利用的气体纺丝技术与常见的静电纺丝技术相比，气纺纳米纤维膜的生产速度和安全性都有很大提高。并且，气纺纳米纤维薄膜的结构更加松散，孔隙率较高，更适合三维纤维结构的设计。同时，通过水热法选择性刻蚀MAX相(Ti3AlC2)得到的导电填料MXene(Ti3C2T
x
)具有独特的手风琴状多层结构，从宏观和微观结构设计上保证了柔性压力传感器的高灵敏度和宽传感范围。
[0009]2、本专利技术提供的基于纤维交织结构的柔性压力传感器与传统压力传感器相比，其具有体积小、面积大、重量轻、柔软、性能稳定、一致性高、成本低、制备工艺简单等突出优点，适用于大规模制备和阵列集成。
[0010]本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0011]附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0012]图1是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的结构图；
[0013]图2是本专利技术一种实施方式的制造基于纤维交织结构的柔性压力传感器的方法的流程图；
[0014]图3根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层聚合物基体材料的光学照片的示意图；
[0015]图4是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层聚合物基体材料的扫描电子显微镜(SEM)照片的示意图；
[0016]图5是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料的扫描电子显微镜照片的示意图；
[0017]图6是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料的X射线衍射(XRD)的示意图；
[0018]图7是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料的原子力显微镜(AFM)照片的示意图；
[0019]图8是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料与水溶剂的胶体分散液的示意图；
[0020]图9是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层截面的扫描电子显微镜照片的示意图；
[0021]图10是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层中导电填料分散的扫描电子显微镜照片的示意图；
[0022]图11是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层的X射线能谱分析图(EDS)的示意图；
[0023]图12是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层的傅里叶红外变换光谱图(FTIR)的示意图；
[0024]图13是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到外界压力时的相对电流变化示意图；
[0025]其中，随着压力敏感层中导电填料的增多，柔性传感器的灵敏度提高。通过改变压力敏感层中导电填料的含量可以对柔性传感器的性能进行调节。
[0026]图14是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到外界压力时的相对电流变化示意图；
[0027]图15是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到不
同外界压力时的电流随电压变化示意图；
[0028]图16是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到不同压力时器件的电流变化示意图；
[0029]图17是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的响应时间和松弛时间示意图；
[0030]图18是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的最小探测能力示意图；
[0031]图19是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到5000次压力的电流变化示意图；
[0032]图20是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器用于监测人体呼吸时的电流变化示意图；
[0033]图21是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器用于监测人体走路时的电流变化示意图；
[0034]图22是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器阵列用于监测羽毛划过时的电流变化示意图。
[0035]图23是根据本专利技术一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器阵列用于监测不同质量物体负载时的电流变化示意图。
[0036]附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于纤维交织结构的柔性压力传感器，其中，所述传感器包括：衬底，所述衬底为聚合物薄膜；叉指电极，形成在所述衬底上；压力敏感层，形成在所述叉指电极上，其中，所述压力敏感层为由聚合物基体材料和导电填料复合而成的纤维交织结构。2.根据权利要求1中所述的压力传感器，其中，所述的压力敏感层的聚合物基体材料为多孔海绵、泡沫、聚合物纳米纤维纺丝薄膜、多孔硅橡胶或多孔树脂。3.根据权利要求2中所述的压力传感器，其中，所述的压力敏感层的聚合物基体材料为聚合物纳米纤维纺丝薄膜；和/或，所述纳米纤维纺丝薄膜采用气体纺丝技术制备；优选的，所述纳米纤维的直径为100nm
‑
300nm。4.根据权利要求2或3中所述的压力传感器，其中，所述的压力敏感层的聚合物基体材料为聚丙烯腈(PAN)纳米纤维纺丝薄膜。5.根据权利要求1
‑
4任一项中所述的压力传感器，其中，所述的压力敏感层的导电填料为银(Ag)、金(Au)、银纳米线(Ag NWs) 碳纳米管(CNTs)、还原氧化石墨烯(rGO)或二维无机化合物MXene(Ti3C2T
x
)。6.根据权利要求5中所述的压力传感器，其中，所述的压力敏感层的导电填料MXene(Ti3C2T
x
)通过水热法选择性刻蚀MAX相(Ti3AlC2)得到。7.根据权利要求6中所述的压力传感器，其中，所述的压力敏感层中的导电填料MXene(Ti3C2T
x
)含量范围为10wt％
‑
60wt％，优选为44wt％。8.根据权利要求7中所述的压力传感器，其中，所述的压力敏感层中的导电填料MXene(Ti3C2T
x
)在聚合物基体材料聚丙烯腈(PAN)纳米纤维纺丝薄膜中均匀分布。9.根据权利要求1
‑
8任一项中所述的压力传感器，其中，所述的衬底为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚丙烯腈(PAN)，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚乳酸
‑
羟基乙酸共聚物(PLGA)或聚乙烯醇(PVA)；优选的，所述衬底的厚度为10
‑
100μm。10.根据权利要求1
‑
9任一项中所述的压力传感器，其中，所述的叉指电极为银(Ag)、金(Au)、银纳米线(Ag NWs)、碳纳米管(CNTs)、还原氧化石墨烯(rGO)或MX...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍容容，刘月，潘曹峰，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：