柔性压力传感器及其制备方法技术

本申请属于传感器技术领域，尤其涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：制备含有水分的第一自修复水凝胶层和第二自修复水凝胶层；将第一自修复水凝胶层和第二自修复水凝胶层分别贴合在电解质层的两侧表面，得到压力传感层；在压力传感层中第一自修复水凝胶层的表面制备第一柔性电极，在第二自修复水凝胶层的表面制备第二柔性电极，得到柔性压力传感器。本申请柔性压力传感器，在受到外界压力时，既可通过电解质层和自修复水凝胶层在受压时本征阻抗的变化实现传感；又可通过自修复水凝胶层与电极层接触面积的改变引起界面接触电阻的改变，实现压力传感，压力传感灵敏度高，压力传感范围广。范围广。范围广。

【技术实现步骤摘要】
柔性压力传感器及其制备方法


[0001]本申请属于传感器
，尤其涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]柔性压力传感器作为可穿戴智能产品中的重要元器件，在健康监测、电子皮肤、人工假肢以及人机交互等领域均具有潜在发展需求。随着可穿戴设备的迅猛发展，为满足实时、长期信号监测的应用需求，对柔性压力传感器的耐用性和便携性提出了更高的要求。在实际使用过程中，器件容易因受到弯折、摩擦和碰撞而出现折痕、划痕甚至裂纹等机械性损伤，这些损伤不仅会降低传感器的运行稳定性，甚至会引起器件电学性能失效，从而缩短柔性器件的使用寿命，因此，使用具有自修复性能的材料对于增强柔性压力传感器的耐用性，延长器件寿命及减少电子垃圾具有重要意义。目前，在压阻型、电容型、压电型和摩擦电型等传统类型的柔性压力传感器中，自修复材料在压阻型和电容型柔性压力传感器中应用较多。但基于其传感机制的限制，它们大多需要附加外部电源；而压电型和摩擦电型传感器通过将机械能转化为电能可以实现无源传感。但它们在静态力的测量上存在困难，而稳定的静态力检测对柔性压力传感器在电子皮肤及健康监测等领域的应用发展至关重要。
[0003]目前，有研究人员以水合氧化石墨烯(GO)作为电解质和传感层提出了基于原电池的电位转换机制，其通过将压力刺激转化为两电极之间的电势差实现了动态、静态力的自供电压力传感。但是，由于水合GO容易受到外部环境的影响而失水，进而影响器件的传感性能，所以需要对器件进行封装以隔绝外部环境。这不仅使得制备工艺更为复杂，增加了成本，而且器件在使用过程中一旦发生机械性损伤，将引起其传感性能的恶化甚至失效，且无法对电极及电解质材料进行更换或修复，致使器件的长期耐用性和可靠性降低，使用寿命缩短。目前仍亟需研究便于穿戴，制备工艺简单，使用寿命长，能检测静压并具备自发电性能的柔性压力传感器。

技术实现思路

[0004]本申请的目的在于提供一种柔性压力传感器及其制备方法，旨在一定程度上解决现有柔性传感器在使用寿命、检测静压和自发电性能方面还有待进一步提升的问题。
[0005]为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
[0006]第一方面，本申请提供一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0007]制备第一自修复水凝胶层和第二自修复水凝胶层，所述第一自修复水凝胶层和所述第二自修复水凝胶层分别含有水分；
[0008]制备电解质层，将所述第一自修复水凝胶层和所述第二自修复水凝胶层分别贴合在所述电解质层的两侧表面，得到压力传感层；
[0009]在所述压力传感层中所述第一自修复水凝胶层的表面制备第一柔性电极，在所述第二自修复水凝胶层的表面制备第二柔性电极，得到柔性压力传感器。
[0010]第二方面，本申请提供一种柔性压力传感器，所述柔性压力传感器包括依次贴合
设置的第一柔性电极、复合压力传感层和第二柔性电极；其中，所述复合压力传感层至少包括一个由第一自修复水凝胶层、电解质层和第二自修复水凝胶层依次贴合设置的压力传感层；其中，所述第一自修复水凝胶层和所述第二自修复水凝胶层分别含有水分。
[0011]本申请第一方面提供的柔性压力传感器的制备方法，制备两个含有水分的自修复水凝胶层，分别贴合设置在电解质层两侧表面形成三明治结构的压力传感层，同时其也是固态电解质。然后在压力传感层的自修复水凝胶层表面制备柔性电极，便得到柔性压力传感器。该柔性压力传感器是基于电位转换机制设计的，同时具有自修复和自供电特性。具体地，一方面，设置在两侧的自修复水凝胶层，通过水凝胶的自修复功能，可实现电解质层和电极层的自修复性能，从而使得柔性压力传感器具有自修复特性，在受到外界损伤时能够达到自修复的效果，使用寿命长。另一方面，压力传感层由电解质层和设置在其两侧的含水的自修复水凝胶层构成三明治结构，两侧的自修复水凝胶层具有一定的含水量，不但能够为中间电解质层提供适量的水分子，提升电解质层的离子传输能力，而且能够对中间的电解质层起到封装的效果，同时对电解质层起到保水作用，维持电解质层中水分子的含量，从而确保电解质层的离子传输能力，无需对电解质层进行额外的水合处理，且无需再次封装处理，简化了工艺。第一自修复水凝胶层
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电解质层
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第二自修复水凝胶层构成的三明治结构的压力传感层，使得传感器在受到压力时，不仅可以通过电解质层和自修复水凝胶层在受压时本征阻抗的变化实现传感；而且可以通过自修复水凝胶层与电极层接触面积的改变引起界面接触电阻的改变，实现压力传感。通过两种结构的结合可以提高柔性压力传感器的压力传感灵敏度，扩大压力传感范围。
[0012]本申请第二方面提供的柔性压力传感器，该柔性压力传感器是基于电位转换机制设计的，压力传感层中设置在电解质层两侧的自修复水凝胶层，可实现电解质层和电极层的自修复性能，使得柔性压力传感器具有自修复特性，在受到外界损伤时能够达到自修复的效果，使用寿命长。同时，两侧的自修复水凝胶层具有一定的含水量，能够为中间电解质层提供离子传输所需的水分子，且能够对电解质层起到保水作用，确保电解质层的离子传输能力。柔性压力传感器通过各功能层的协同作用同时具有自修复和自供电特性。在受到外界压力时，既可通过电解质层和自修复水凝胶层在受压时本征阻抗的变化实现传感；又可通过自修复水凝胶层与电极层接触面积的改变引起界面接触电阻的改变，实现压力传感。压力传感灵敏度高，压力传感范围广。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1是本申请实施例提供的柔性压力传感器的制备方法的流程示意图；
[0015]图2是本申请实施例提供的柔性压力传感器的一种结构图示意图；
[0016]图3是本申请实施例提供的柔性压力传感器的另一种结构图示意图；
[0017]图4是本申请实施例1提供的柔性压力传感器在大小分别为2kPa、5kPa、10kPa的恒定循环压力下的输出电压信号图；
[0018]图5是本申请实施例1提供的柔性压力传感器断裂自修复后在10kPa的恒定循环压力下的输出电压信号图。
具体实施方式
[0019]为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0020]本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0021]本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备第一自修复水凝胶层和第二自修复水凝胶层，所述第一自修复水凝胶层和所述第二自修复水凝胶层分别含有水分；制备电解质层，将所述第一自修复水凝胶层和所述第二自修复水凝胶层分别贴合在所述电解质层的两侧表面，得到压力传感层；在所述压力传感层中所述第一自修复水凝胶层的表面制备第一柔性电极，在所述第二自修复水凝胶层的表面制备第二柔性电极，得到柔性压力传感器。2.如权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，制备所述第一自修复水凝胶层和所述第二自修复水凝胶层的步骤分别独立地包括：将自修复凝胶材料和吸水性材料溶解在溶剂中，形成前驱体浆料；将所述前驱体浆料沉积到衬底表面，干燥形成薄膜后，在湿度为40～70％的环境中放置24～48小时，得到所述第一自修复水凝胶层或所述第二自修复水凝胶层。3.如权利要求2所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述自修复凝胶材料包括聚乙烯醇、壳聚糖、琼脂、海藻酸钠、聚丙烯酰胺、明胶中的至少一种；和/或，所述吸水性材料包括甘油、乙二醇、氯化锂、氯化镁、氯化钙中的至少一种；和/或，所述自修复凝胶材料和所述吸水性材料的质量比为(1～3)：(1～2)；和/或，所述前驱体浆料中，所述自修复凝胶材料的质量分数为5～25％；和/或，所述衬底选自表面目数为1000～10000目的砂纸，使制得的所述第一自修复水凝胶层和所述第二自修复水凝胶层接触所述砂纸的一侧表面具有微结构；和/或，所述所述第一自修复水凝胶层和所述第二自修复水凝胶层的含水量分别独立地为5～35wt％；和/或，所述所述第一自修复水凝胶层和所述第二自修复水凝胶层的厚度分别独立地为0.2～3mm。4.如权利要求3所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，将所述第一自修复水凝胶层和所述第二自修复水凝胶层分别贴合在所述电解质层的两侧表面的步骤包括：将所述第一自修复水凝胶层和所述第二自修复水凝胶层中具有微结构的一侧表面背离所述电解质层设置。5.如权利要求1～4任一项所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，制备所述电解质层的步骤包括：将电解质材料分散到水中形成分散液，通过抽滤法将所述分散液制成所述电解质层。6.如权利要求5所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述电解质材料包括氧化石墨烯、金属
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵维巍，冯嫱，张晨，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：