柔性自驱动压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种柔性自驱动压力传感器及其制备方法，涉及柔性传感器的技术领域。压力传感器包括依次层叠设置的底部封装部、摩擦电压力传感部和顶部封装部；摩擦电压力传感部包括层叠设置的MXene基硅胶层和压力摩擦层；MXene基硅胶层上靠近所述压力摩擦层的一侧成型有多个MXene基硅胶微结构块和多个MXene基隔离壁，多个MXene基隔离壁另一端与压力摩擦层相互抵触，多个MXene基硅胶微结构块位于MXene基硅胶层与压力摩擦层之间；MXene基硅胶微结构块靠近压力摩擦层的一侧呈尖端设置。本发明专利技术提供的压力传感器可以探测较小压力，并且稳定性好响应速度快，无需外部电能输入，同时工艺简单、可重复性强，在柔性可穿戴电子，生物医疗和智能软体机器人上有着较好的应用前景。医疗和智能软体机器人上有着较好的应用前景。医疗和智能软体机器人上有着较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
柔性自驱动压力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及柔性传感器的
，尤其涉及一种柔性自驱动压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，模拟人类皮肤功能属性的电子皮肤逐渐称为研究热点之一，尤其是感知压力或应变的触觉传感器，能够实现从机械刺激到电信号的高效转换，在人机交互、智能机器人以及生物医疗等领域有着重要的应用前景。基于传统硅基MEMS电容和电阻式压力传感器，不仅存在不能与曲面待测表面相兼容的问题，且其无源特性也是需要一定能耗，与碳中和理念相违背。
[0003]摩擦效应是指在外界作用力下，两种不同材料相互接触和分离，在接触界面处产生电荷的转移，由于摩擦起电和静电感应的耦合，在背面电极处产生电荷的流动。因此，基于摩擦效应的触觉传感器，在外界作用力的情况下，不仅可以作为一个能源收集器，将周围产生的机械能转换成为电能存储起来，还可以依据产生的电信号作为自驱动触觉传感器。
[0004]现有技术中公开了一种Alk
‑
Ti3C2/PDMS柔性压阻传感器的制备方法，通过将硅胶混合液覆盖在具有凸起结构的砂布上，从而得到第一PDMS薄膜，在第一PDMS薄膜上覆盖全氟硅氧烷后再覆盖一层硅胶混合液并固化，得到第二PDMS薄膜，在第二PDMS薄膜上覆盖A lk
‑
Ti3C2。
[0005]然而，现有技术中提供的柔性压阻传感器的表面形态不规则，器件一致性和可重复性差，且传统的柔性电阻式和电容式压力传感器，在工作时都需要外部电能输入，这就大大限制了其使用场景和使用寿命。因此，亟需提供一种方案改善上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种柔性自驱动压力传感器及其制备方法，能够探测较小压力，稳定性好并且响应速度快，无需外部电能输入，同时工艺简单、可重复性强，在柔性可穿戴电子，生物医疗和智能软体机器人上有着较好的应用前景。
[0007]第一方面，本专利技术提供的一种柔性自驱动压力传感器，采用如下的技术方案：
[0008]包括从底部至顶部依次层叠设置的底部封装部、摩擦电压力传感部和顶部封装部；
[0009]所述摩擦电压力传感部包括层叠设置的MXene基硅胶层和压力摩擦层；
[0010]所述MXene基硅胶层靠近所述压力摩擦层的一侧一体成型有多个MXene基硅胶微结构块和多个MXene基隔离壁，多个所述MXene基隔离壁相对远离所述MXene基硅胶层的一端与所述压力摩擦层相互抵触，多个所述MXene基硅胶微结构块位于所述MXene基硅胶层与所述压力摩擦层之间；
[0011]所述MXene基硅胶微结构块靠近所述压力摩擦层的一侧呈尖端设置；
[0012]所述MXene为MAX相移除主族元素后形成的具有二维结构的材料；
[0013]所述MAX相为M
n+1
AX
n
，其中n等于1、2和3中的任一个，所述M为过渡金属元素，所述A为主族元素，所述X为碳元素或氮元素。
[0014]本专利技术提供的柔性自驱动压力传感器的有益效果在于：摩擦电压力传感部通过压力使得压力摩擦层与MXene基硅胶层相互摩擦，从而在压力摩擦层与MXene基硅胶层的接触界面产生电荷的转移，并通过底部封装部和顶部封装部将电信号传输至外部，从而无需外部电能的输入；MXene基硅胶层上的多个MXene基硅胶微结构块靠近压力摩擦层的一侧呈尖端设置，因此当MXene基硅胶微结构块与压力摩擦层进行接触时，MXene基硅胶微结构块与压力摩擦层的接触面积的变化率增加，有效提高了摩擦电压力传感部对压力探测的灵敏度，使得摩擦电压力传感部能够检测微小的压力变化；并且，本专利技术提供的压力传感器无需额外电源供电，能够实现器件的低功耗化和小型化，结构稳定，易于阵列化，在可穿戴电子、智能机器人和柔性设备上有着广泛的应用前景。
[0015]可选的，多个所述MXene基硅胶微结构块阵列设置在所述MXene基硅胶层上。
[0016]可选的，多个所述MXene基硅胶微结构块从阵列中心向阵列四周的第一尺寸依次减小；所述第一尺寸为所述MXene基硅胶微结构块端部与所述MXene基硅胶层的垂直距离。
[0017]可选的，多个所述MXene基硅胶微结构块的第一尺寸均相等；所述第一尺寸为所述MXene基硅胶微结构块端部与所述MXene基硅胶层的垂直距离。
[0018]第二方面，本专利技术提供的一种柔性自驱动压力传感器的制备方法，采用如下的技术方案，包括以下步骤：
[0019]制备微结构树脂模板；
[0020]制备MXene基硅胶混合物；
[0021]将所述MXene基硅胶混合物覆盖在所述微结构树脂模板上，固化后剥离得MXene基硅胶层；
[0022]拼合所述MXene基硅胶层与压力摩擦层得摩擦电压力传感部；
[0023]拼合所述摩擦电压力传感部与底部封装部和顶部封装部。
[0024]本专利技术提供的柔性自驱动压力传感器的制备方法的有益效果在于：预先制备微结构树脂模板，能够根据所需要的MXene基硅胶层的结构形态对微结构树脂模板进行调整，提高了MXene基硅胶层的可定制化程度，并且能够使用于批量化的制备生产，可重复性强。
[0025]可选的，执行制备MXene基硅胶混合物的步骤中包括以下步骤：制备MXene粉末；将所述MXene粉末与硅胶基体混合均匀后制得MXene基硅胶混合物；其中所述MXene粉末占所述硅胶基体的重量百分比为2％
‑
10％。将MXene粉末与硅胶基体进行混合后，使得MXene粉末在硅胶基体中混合均匀，能够增强摩擦效应，从而提高压力传感器的基本性能。
[0026]可选的，所述MXene粉末为Ti3C2F2粉末。含F基团的MXene的电负性更优，能够有效地提高摩擦电压力传感部的输出，提高摩擦电压力传感部对压力的灵敏度。
[0027]可选的，执行制备MXene粉末的步骤中包括，将Ti3AlC2‑
MAX前驱体加入1
‑
3M的氢氟酸溶液中反应10
‑
20min后，滤出干燥并研磨，得MXene粉末。将Ti3AlC2‑
MAX前驱体加入至低浓度的HF溶液中，能够提高制备生产时的安全性，制备得到含F基团的MXene的电负性更优，能够有效地提高摩擦电压力传感部的输出，提高摩擦电压力传感部对压力的灵敏度。
[0028]可选的，执行将所述MXene基硅胶混合物覆盖在所述微结构树脂模板上，固化后剥离得MXene基硅胶层的步骤中包括：将所述MXene基硅胶混合物覆盖在所述微结构树脂模板
上，置于真空环境中静置25
‑
35min后，烘干固化后剥离得MXene基硅胶层。将MXene基硅胶混合物覆在微结构树脂模板后，在真空环境中能够除去MXene基硅胶混合物与微结构树脂模板之间的气体，使得MXene基硅胶混合物与微结构树脂模板充分贴合，进而MXene基硅胶混合物固化得到MXene基硅胶层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性自驱动压力传感器，其特征在于，包括从底部至顶部依次层叠设置的底部封装部、摩擦电压力传感部和顶部封装部；所述摩擦电压力传感部包括层叠设置的MXene基硅胶层和压力摩擦层；所述MXene基硅胶层靠近所述压力摩擦层的一侧一体成型有多个MXene基硅胶微结构块和多个MXene基隔离壁，多个所述MXene基隔离壁相对远离所述MXene基硅胶层的一端与所述压力摩擦层相互抵触，多个所述MXene基硅胶微结构块位于所述MXene基硅胶层与所述压力摩擦层之间；所述MXene基硅胶微结构块靠近所述压力摩擦层的一侧呈尖端设置；所述MXene为MAX相移除主族元素后形成的具有二维结构的材料；所述MAX相为M
n+1
AX
n
，其中n等于1、2和3中的任一个，所述M为过渡金属元素，所述A为主族元素，所述X为碳元素或氮元素。2.根据权利要求1所述的柔性自驱动压力传感器，其特征在于，多个所述MXene基硅胶微结构块阵列设置在所述MXene基硅胶层上。3.根据权利要求2所述的柔性自驱动压力传感器，其特征在于，多个所述MXene基硅胶微结构块从阵列中心向阵列四周的第一尺寸依次减小；所述第一尺寸为所述MXene基硅胶微结构块端部与所述MXene基硅胶层的垂直距离。4.根据权利要求1所述的柔性自驱动压力传感器，其特征在于，多个所述MXene基硅胶微结构块的第一尺寸均相等；所述第一尺寸为所述MXene基硅胶微结构块端部与所述MXene基硅胶层的垂直距离。5.一种柔性自驱动压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备微结构树脂模板；制备MXene基硅胶混合物；将所述MXe...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶娟，丁士进，朱宝，
申请(专利权)人：嘉善复旦研究院，
类型：发明
国别省市：