一种自驱动水凝胶离子式压力传感器及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种自驱动水凝胶离子式压力传感器及其制作方法。本发明专利技术压力传感器，包括：传感模块和检测模块，传感模块将由压力引发的离子移动转换成可用输出电信号，与检测模块相连接形成工作电路，完成检测工作，其中：传感模块包括从上至下依次排布的上部密封层，上部电极层，聚阳离子水凝胶，多孔水凝胶薄膜层，聚阴离子水凝胶，下部电极层，下部密封层，上部电极层和下部电极层通过导线与检测模块连接；检测模块包括依次连接的扫描电路、信号采集电路、信号传输电路和信号处理器。本发明专利技术自驱动水凝胶离子式压力传感器，能够有效完成检测工作，其机械性能强大，灵敏精确，可以成功应用于传感、软机器人和智能穿戴设备等方面。软机器人和智能穿戴设备等方面。软机器人和智能穿戴设备等方面。

【技术实现步骤摘要】
一种自驱动水凝胶离子式压力传感器及其制作方法


[0001]本专利技术涉及传感器
，具体而言，尤其涉及一种自驱动水凝胶离子式压力传感器及其制作方法。

技术介绍

[0002]目前科研领域内，常用的柔性压力传感器分为电阻式、电容式、压电式传感器。无论采用何种形式的压力传感器，都是将传感器内部结构的变形转化为外部的电信号，并根据电信号的改变，测量施加力的大小和分布。电阻式压力传感器是在承受与试样垂直或与试样平行的拉力时，传感材料的电阻值发生改变；电容式压力传感器是在受到应力作用时，其传感材料的电容发生改变；压电式压力传感器是在受到应力作用时，电路中的电压发生变化。这类传感器信号传输载体与外部电路不同，通常需要在外接电路下工作，而这又限制了传感器的小型化与可实用性。
[0003]未来的柔性传感器不仅需要适应不同的复杂场合，而且需要同时兼具高灵敏度、柔性、可拉伸、可弯曲、低功耗、生物相容性好等基本性能，以此来满足人们在生产生活中的不同需求。但是，如何设计兼具良好拉伸性、灵敏度高、以及测量精确的压力传感器仍是目前面临的挑战。

技术实现思路

[0004]根据上述提出的技术问题，提供一种自驱动水凝胶离子式压力传感器及其制作方法。本专利技术自驱动水凝胶离子式压力传感器装置简易，将由压力引发的离子移动转换成可用输出电信号，与检测模块相连接形成工作电路，能够有效完成检测工作，其机械性能强大，灵敏精确，可以成功应用于传感、软机器人和智能穿戴设备等方面。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种自驱动水凝胶离子式压力传感器，包括：传感模块和检测模块，传感模块将由压力引发的离子移动转换成可用输出电信号，与检测模块相连接形成工作电路，完成检测工作，其中：
[0007]所述传感模块包括从上至下依次排布的上部密封层，上部电极层，聚阳离子水凝胶，多孔水凝胶薄膜层，聚阴离子水凝胶，下部电极层，下部密封层，所述上部电极层和下部电极层通过导线与检测模块连接；
[0008]所述检测模块包括依次连接的扫描电路、信号采集电路、信号传输电路和信号处理器。
[0009]进一步地，所述上部密封层和所述下部密封层均采用PDMS。
[0010]进一步地，所述上部电极层与下部电极层的电极条均使用纳米压印技术加工，所述上部电极层的电极条贴附在所述上部密封层的下方，所述下部电极层的电极条贴附在所述下部密封层的上方。
[0011]进一步地，所述上部电极层包括多条等距阵列排布的横向电极条，所述下部电极
层包括多条等距阵列排布的纵向电极条，横向电极条与纵向电极条形成垂直交叉点，所述检测模块用于检测每个垂直交叉点处的电压变化值，将电流信号进行处理。
[0012]进一步地，通过增加所述上部电极层和所述下部电极层的电极条数量，进而增加所述上部电极层和所述下部电极层的垂直交叉点，从而使得测量到的压力分布信息精确，用于调节传感器量程。
[0013]进一步地，所述聚阳离子水凝胶和所述聚阴离子水凝胶皆为双网络水凝胶，所述聚阳离子水凝胶内部包括自由移动的阳离子，聚阴离子水凝胶内部包括自由移动的阴离子。
[0014]进一步地，所述多孔水凝胶薄膜层设置在所述聚阳离子水凝胶和所述聚阴离子水凝胶之间，且所述聚阳离子水凝胶和所述聚阴离子水凝胶通过多孔水凝胶薄膜层连接在一起，所述多孔水凝胶薄膜层为多孔结构，具有整流离子传输特性。
[0015]本专利技术还提供了一种基于上述，自驱动水凝胶离子式压力传感器的制作方法，包括：
[0016]步骤1、将琼脂、AM、MBA、聚苯乙烯磺酸钠以一定浓度溶解在去离子水中；
[0017]步骤2、将溶解后的溶液放入磁力搅拌器，并将温度设置在90℃，混合搅拌2小时；
[0018]步骤3、将获得的澄清溶液真空脱气，注射到由硅酮片隔开的两个有机玻璃板中，在4℃下冷却30分钟；
[0019]步骤4、将有机玻璃模具转移到强度为22.4mW/cm2紫外灯下进行13分钟的光聚合，引发AM的聚合，得到聚阳离子水凝胶；
[0020]步骤5、采用与步骤4同样的方法，制备聚二烯丙基二甲基氯化铵得到聚阴离子水凝胶；
[0021]步骤6、将水凝胶从有机玻璃模具中取出，用石蜡薄膜覆盖，用于测试；
[0022]步骤7、将两种水凝胶模制为长10cm,宽6cm，厚度为3mm的薄膜作为传感器部件；
[0023]步骤8、利用激光干涉光刻技术制备纳米压印的硅模板，为两个长10cm，宽6cm厚度为3mm的模具，其上部带有等间距的电极条结构；
[0024]步骤9、用PDMS做衬底，其上部加入PEDOT:PSS做基体，将模板与基体接触并进行精确压印定型，以150℃加热20分钟，后在120℃下整体退火半小时，脱模，将模板分离；
[0025]步骤10、将两种材料通过多孔水凝胶薄膜分离，再分别将密封层贴附在聚阳离子水凝胶层和聚阴离子水凝胶层，制备得到自驱动水凝胶离子式压力传感器。
[0026]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0027]1、本专利技术提供的自驱动水凝胶离子式压力传感器，具有高可拉伸性、高透明性以及良好耐久性，并可以实现对压力的高精度监测，这些显著的特性促进了其在传感器等柔性穿戴型电子产品中的应用。
[0028]2、本专利技术提供的自驱动水凝胶离子式压力传感器，具有优异的力学性能、生物相容性以及自愈性等优点。
[0029]3、本专利技术提供的自驱动水凝胶离子式压力传感器，其机械性能与传统的水凝胶不同，由于独特的双网络结构，其断裂强度以及断裂应变已经提高了几倍，因为两种内部网络的有效配合极大地耗散了施加的外部能量。因此，本专利技术具有高强度的机械性，使用寿命显著提高。
[0030]4、本专利技术提供的自驱动水凝胶离子式压力传感器，采用独特的横纵交叉阵列式布设电极，可以快速实现对传感器中受压位置的准确测量，以完成传感器在被穿戴时，穿戴部位的实时状态监测。
[0031]5、本专利技术提供的自驱动水凝胶离子式压力传感器，将为传感、软机器人和人机界面提供新型基于水凝胶离子电流的柔性压力传感设备。
[0032]基于上述理由本专利技术可在传感器等领域广泛推广。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1为本专利技术的自驱动水凝胶离子式压力传感器的结构示意图。
[0035]图2为基于自驱动水凝胶离子式压力传感器的压力传感设备的结构原理框图。
[0036]图中：1、上部密封层；2、上部电极层；3、聚阳离子水凝胶；4、多孔水凝胶薄膜层；5、聚阴离子水凝胶；6、下部电极层；7、下部密封层。
具体实施方式
[0037]需要说明的是，在不冲突本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自驱动水凝胶离子式压力传感器，其特征在于，包括：传感模块和检测模块，传感模块将由压力引发的离子移动转换成可用输出电信号，与检测模块相连接形成工作电路，完成检测工作，其中：所述传感模块包括从上至下依次排布的上部密封层，上部电极层，聚阳离子水凝胶，多孔水凝胶薄膜层，聚阴离子水凝胶，下部电极层，下部密封层，所述上部电极层和下部电极层通过导线与检测模块连接；所述检测模块包括依次连接的扫描电路、信号采集电路、信号传输电路和信号处理器。2.根据权利要求1所述的自驱动水凝胶离子式压力传感器，其特征在于，所述上部密封层和所述下部密封层均采用PDMS。3.根据权利要求1所述的自驱动水凝胶离子式压力传感器，其特征在于，所述上部电极层与下部电极层的电极条均使用纳米压印技术加工，所述上部电极层的电极条贴附在所述上部密封层的下方，所述下部电极层的电极条贴附在所述下部密封层的上方。4.根据权利要求3所述的自驱动水凝胶离子式压力传感器，其特征在于，所述上部电极层包括多条等距阵列排布的横向电极条，所述下部电极层包括多条等距阵列排布的纵向电极条，横向电极条与纵向电极条形成垂直交叉点，所述检测模块用于检测每个垂直交叉点处的电压变化值，将电流信号进行处理。5.根据权利要求3所述的自驱动水凝胶离子式压力传感器，其特征在于，通过增加所述上部电极层和所述下部电极层的电极条数量，进而增加所述上部电极层和所述下部电极层的垂直交叉点，从而使得测量到的压力分布信息精确，用于调节传感器量程。6.根据权利要求1所述的自驱动水凝胶离子式压力传感器，其特征在于，所述聚阳离子水凝胶和所述聚阴离子水凝胶皆为双网络水凝胶，所述聚阳离子水凝胶内部包括自由移动的阳离子，聚阴离子水凝胶内部包括自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：李梦琪，郑智峰，胡利德，江瑞，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：