一种基于纤维素纳米纤维薄膜的具有宽线性检测范围的柔性压力传感器及其制备方法技术

一种基于纤维素纳米纤维薄膜的具有宽线性检测范围的柔性压力传感器及其制备方法，属于传感技术领域。本发明专利技术利用导电材料多壁碳纳米管和水溶性聚合物聚乙烯醇对纤维素纳米纤维薄膜进行改性，分别作为传感器的双导电敏感层(电阻不同)和衬底，传感器的柔性电极是在上述衬底上采用丝网印刷工艺制备的银叉指电极。本发明专利技术通过双导电性敏感层薄膜的设计来实现传感器电流传输路径的改变，并与微结构界面相结合，实现传感器线性检测范围的提升，本发明专利技术具有制备工艺简单、原料易得、可批量生产、轻薄便携的特点，可实现0.0004～480kPa范围内的良好线性度，线性度可达0.99，灵敏度为0.1kPa

【技术实现步骤摘要】
一种基于纤维素纳米纤维薄膜的具有宽线性检测范围的柔性压力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于传感
，具体涉及一种基于纤维素纳米纤维薄膜的具有宽线性检测范围的柔性压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]柔性电子器件因其能够在弯曲、拉伸、扭曲等形变状态下保持性能稳定而备受关注，相较于传统的刚性电子器件，柔性电子器件具有更大的形变能力和与弧形表面更好的贴合度，这使得柔性电子器件在我们的生活和生产等方面发挥着重要作用。柔性可穿戴传感器是柔性电子设备中的核心器件，具备轻薄、柔软、灵活等特点，通过与衣服或日常配饰的整合能够最大程度地适应人体皮肤表面复杂的弯曲弧度，进而保证对体征信号的准确采集和获取。当前，柔性可穿戴传感器已经实现了对人体多种生命体征参数及运动参数的监测，如体温、脉搏、汗液、呼吸、关节和肌肉运动等，从而实现对人体健康管理和运动监测的功能，在人体日常健康监护和实时健康反馈，以及运动追踪和姿势识别方面均具有广泛的应用前景。
[0003]柔性压力传感器是柔性传感器系统中的重要元件之一，可以实现对人体心率、血压、肢体运动等多种体征指标的监测。根据工作机制的不同，柔性压力传感器主要分为电阻型、电容型、压电型和摩擦电型。其中，电阻型压力传感器的敏感机制通常是通过在压力作用下敏感层内部导电网络改变引起的体电阻变化以及敏感层与电极之间的接触电阻变化，使器件的电阻值随着压力负荷的大小发生规律性改变，进而实现压力敏感。在目前的研究报道中，通过材料选配调控和器件结构设计实现对电阻型压力传感器灵敏度、响应速度、检测限等敏感性能的优化。然而，电阻型柔性压力传感器仍然存在检测范围和有效线性区间窄的难题，使其在监测人体产生的大压力信号的应用中难以分辨较小的压力变化，例如监测人体足底压力信号时难以准确识别出小幅的中心偏移。就此，有部分研究利用多孔泡沫结构的弹性体作为敏感层，通过调控泡沫孔隙参数提高传感器的检测范围，但该方法通常需要敏感层具有较厚的结构，器件厚度的增加会阻碍其与皮肤表面的贴合度。此外，多孔泡沫结构的制备和调控工艺较为复杂，限制了其大规模生产和所制备器件的一致性。因此，开发一种制备工艺简单、成本低廉，且具有宽线性检测范围的电阻型柔性压力传感器的研究具有重要意义。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术利用导电材料多壁碳纳米管(MWCNTs)和水溶性聚合物聚乙烯醇(PVA)对纤维素纳米纤维(CNFs)薄膜进行改性，分别作为传感器的双导电敏感层和衬底，传感器的柔性电极是在上述衬底上采用丝网印刷工艺制备的银叉指电极。本专利技术的目的是提供一种基于纤维素纳米纤维薄膜的具有宽线性检测范围的柔性压力传感器及其制备方法，本专利技术通过双导电性敏感层薄膜的设计来实现传感器电流传输路径的改变，并与
微结构界面相结合，实现传感器线性检测范围的提升，本专利技术具有制备工艺简单、原料易得、可批量生产、轻薄便携的特点，以解决
技术介绍
中存在的问题。
[0005]本专利技术所述的柔性压力传感器，由CNFs/PVA衬底、丝网印刷在CNFs/PVA衬底上的具有金属层结构的叉指电极和两层具有不同导电性能的CNFs/MWCNTs导电薄膜组成，最终由热塑性聚氨酯弹性体(TPU)胶布进行封装。衬底层由CNFs和PVA混合溶液在聚四氟乙烯模具上通过滴涂和干燥工艺制备而成，不同导电性能的CNFs/MWCNTs导电薄膜由不同复合比例的CNFs和MWCNTs混合溶液在聚四氟乙烯模具上通过滴涂和干燥工艺制备而成。当器件受到压力负荷时，电极和与其接触的CNFs/MWCNTs导电层之间、以及两层不同导电性能的CNFs/MWCNTs导电层之间的空隙被压缩，通过CNFs/MWCNTs导电薄膜的电流会发生改变，通过测得在恒定电压下传感器叉指电极输出电流变化值，从而计算出不同压力作用下传感器的响应，进而建立传感器电流与施加压力之间的对应关系。压力传感器的响应(Response)定义为:Response(％)＝(I
‑
I0)/I0×
100％，其中I为传感器叉指电极在不同压力作用下的电流，I0为未施加压力时传感器叉指电极的初始电流。
[0006]本专利技术所述的一种基于纤维素纳米纤维薄膜的具有宽线性检测范围的柔性压力传感器的制备方法，其步骤如下:
[0007](1)将5g、质量分数1～2％的CNFs水分散液和0.25～0.30g MWCNTs加入到10mL去离子水中，得到CNFs/MWCNTs溶液；
[0008](2)将0.01～0.05g十二烷基苯磺酸钠(分散剂)加入到步骤(1)的溶液中，20～30℃温度下搅拌2～5h；然后将得到的溶液超声1～2h，使CNFs与MWCNTs均匀分散，得到混合溶液；
[0009](3)将步骤(2)得到的混合溶液滴涂到超声清洗并烘干后的聚四氟乙烯模具(尺寸为10
×
10cm2)中，使溶液均匀覆盖在模具表面，并放置在通风橱中静置8～15h自然蒸发掉溶液中的水分，得到CNFs/MWCNTs导电薄膜(厚度为0.05～0.15mm，电阻为45～55Ω)，然后将CNFs/MWCNTs导电薄膜切割后作为传感器的上层敏感层；
[0010](4)将5g、质量分数1～2％的CNFs水分散液和0.003～0.30g MWCNTs加入到10mL去离子水中，得到CNFs/MWCNTs溶液；
[0011](5)将0.01～0.05g十二烷基苯磺酸钠(分散剂)加入到步骤(4)的溶液中，20～30℃温度下搅拌2～5h；然后将得到的溶液超声1～2h，使CNFs与MWCNTs均匀分散，得到混合溶液；
[0012](6)将步骤(5)得到的混合溶液滴涂到超声清洗并烘干后的聚四氟乙烯模具(尺寸为10
×
10cm2)中，使溶液均匀覆盖在模具表面，并放置在通风橱中静置8～15h自然蒸发掉溶液中的水分，得到CNFs/MWCNTs导电薄膜(厚度为0.01～0.15mm，电阻为45Ω～16kΩ)，然后将CNFs/MWCNTs导电薄膜切割后作为传感器的下层敏感层；
[0013](7)将0.05g PVA粉末加入到10mL去离子水中，在85～95℃温度下搅拌0.5～4h，得到PVA溶液；
[0014](8)将10g、质量分数1～2％的CNFs水分散液加入到步骤(7)得到的PVA溶液中，在85～95℃温度下搅拌2～6h，得到CNFs/PVA混合溶液；
[0015](9)将步骤(8)得到的CNFs/PVA混合溶液滴涂到超声清洗并烘干后的聚四氟乙烯模具(10
×
10cm2)中，使溶液均匀覆盖在模具表面，并放置在通风橱中静置8～15h，得到
CNFs/PVA薄膜(厚度为0.02～0.07mm)，然后将CNFs/PVA薄膜切割后作为传感器的衬底层；
[0016](10)将导电银浆(导电率约为1
×
105S/cm)通过丝网印刷工艺在步骤(9)得到的CNFs/PVA薄膜表面印刷银叉指电极(银叉指电极的厚度为0.001～0.007本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于纤维素纳米纤维薄膜的具有宽线性检测范围的柔性压力传感器的制备方法，其步骤如下:(1)将5g、质量分数1～2％的CNFs水分散液和0.25～0.30g MWCNTs加入到10mL去离子水中，得到CNFs/MWCNTs溶液；(2)将0.01～0.05g十二烷基苯磺酸钠加入到步骤(1)的溶液中，20～30℃温度下搅拌2～5h；然后将得到的溶液超声1～2h，使CNFs与MWCNTs均匀分散，得到混合溶液；(3)将步骤(2)得到的混合溶液滴涂到超声清洗并烘干后的聚四氟乙烯模具中，使溶液均匀覆盖在模具表面，并放置在通风橱中静置8～15h自然蒸发掉溶液中的水分，得到CNFs/MWCNTs导电薄膜，然后将CNFs/MWCNTs导电薄膜切割后作为传感器的上层敏感层；(4)将5g、质量分数1～2％的CNFs水分散液和0.003～0.30g MWCNTs加入到10mL去离子水中，得到CNFs/MWCNTs溶液；(5)将0.01～0.05g十二烷基苯磺酸钠加入到步骤(4)的溶液中，20～30℃温度下搅拌2～5h；然后将得到的溶液超声1～2h，使CNFs与MWCNTs均匀分散，得到混合溶液；(6)将步骤(5)得到的混合溶液滴涂到超声清洗并烘干后的聚四氟乙烯模具中，使溶液均匀覆盖在模具表面，并放置在通风橱中静置8～15h自然蒸发掉溶液中的水分，得到CNFs/MWCNTs导电薄膜，然后将CNFs/MWCNTs导电薄膜切割后作为传感器的下层敏感层；(7)将0.05g PVA粉末加入到10mL去离子水中，在85～95℃温度下搅拌0.5～4h，得到PVA溶液；(8)将10g、质量分数1～2％的CNFs水分散液加入到步骤(7)得到的PVA溶液中，在85～95℃温度下搅拌2～6h，得到CNFs/PVA混合溶液；(9)将步骤(8)得到的CNFs/PVA混合溶液滴涂到超声清洗并烘干后的聚四氟乙烯模具中，使溶液均匀覆盖在模具表面，并放置在通风橱中静置8～15h，得到CNFs/PVA薄膜，然后将CNFs/PVA薄膜切割后作为传感器的衬底层；(10)将导电银浆通过丝网印刷工艺在步骤(9)得到的CNFs/PVA薄膜表面印刷银...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彤，薛华，林修竹，赵红然，李凡，费腾，刘森，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：