一种可同时检测温度和压力的双模传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种可同时检测温度和压力的双模传感器及其制备方法和应用。该双模传感器的制备方法包括：首先通过方糖

【技术实现步骤摘要】
一种可同时检测温度和压力的双模传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于传感器
，具体涉及一种可同时检测温度和压力的双模传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]科技的进步，使得类皮肤的柔性可穿戴传感器成为研究热点。对传感器而言，实现温度与压力的感知对模拟人类皮肤功能是至关重要的。特别地，通过单一设备实现温度和压力的检测迎合了电子器件微型化与集成化发展的趋势，吸引了大批科研工作者的注意，并取得了较为显著的研究成果。
[0003]Yunfei Yu等人利用北极熊毛发的灵感设计了一种功能传感器，将温度和压力刺激转化为电阻变化(Mater.Horiz.2021,8,1037
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1046)；Qi
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Jun Sun等人展示了一种具有指尖启发的微结构的温度
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压力传感器，它可以将外部刺激转换为电流信号(Adv.Funct.Mater.2019,29,1808829)。尽管取得了这些成就，上述传感器通常将不同的刺激转化为相同的电信号(电流/电阻)，当温度与压力刺激同时存在时，由此产生的信号耦合问题极大限制了此类传感器在复杂场景中的实际应用。因此，设计一种能够同时感知温度与压力变化而不产生信号耦合的传感器是极其必要的。
[0004]信号解耦的核心策略是通过采用不同的传感机制将温度与压力刺激转换成独立的电信号。一般来说，温度传感器是基于热阻和热电效应，可以将温度分别转换为电阻/电流和电压信号。而压力传感器是基于压阻、压电容和压电/摩擦电效应，能将压力分别转换为电阻/电流、电容和电压信号。因此，通过适当结合不同的传感机制，可以实现具有温度与压力检测的双功能传感器。
[0005]热电效应与压阻效应相结合以实现将温度和压力刺激分别转换为电压信号和电阻/电流信号是解决信号耦合的一个有效方法。这要求传感器的活性材料同时具备热电和导电特性。传统的无机热电材料毒性大、成本高、加工技术复杂，不利于柔性可穿戴传感器的制备。与之相比，有机热电材料因其多功能的分子设计、易加工性、轻质、机械柔性、低成本等优点，成为制备温度
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压力双模传感器的理想活性材料之一。但目前利用有机热电材料得到的温度
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压力双模传感器存在灵敏度低，分辨率差等性能不足的缺陷，导致传感器的使用局限性差，商业前景低(J.Mater.Chem.A.2020,8,15167
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15176；ACS Appl.Mater.Interfaces2022,14,43783
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43791；Carbon Energy 2022,4,621
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632)。

技术实现思路

[0006]针对现有的技术缺陷或者改进需求，本专利技术的目的是提供一种可同时检测温度和压力的双模传感器及其制备方法和应用，解决了目前温度
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压力双模传感器性能不足的问题。本专利技术得到的可同时检测温度和压力的双模传感器可通过集成式阵列，用于可穿戴电子皮肤领域。
[0007]本专利技术提供的可同时检测温度和压力的双模传感器包括三维柔性基底和包覆于所述三维柔性基底表面的活性层。
[0008]其中，所述三维柔性基底由聚多巴胺改性PDMS泡沫制备而成；所述活性层为具有热电和导电特性的PEDOT:PSS/CNT复合而成。
[0009]进一步地，所述PDMS泡沫是以方糖为模板，通过模板牺牲法得到的；聚多巴胺是多巴胺在碱性环境下，通过氧化还原反应原位生长在PDMS泡沫表面。
[0010]优选地，所述PEDOT:PSS电导率不低于1000S/cm；所述CNT为单壁碳纳米管，长度5
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30μm，直径小于2nm。
[0011]进一步地，CNT和PEDOT:PSS之间的能量过滤效应能够提高传感器的塞贝克系数。
[0012]进一步地，所述活性层PEDOT:PSS/CNT中，PEDOT:PSS与CNT的质量比为1:5～1:1。
[0013]进一步地，本专利技术提供的可同时检测温度和压力的双模传感器，作为温度传感器时，能够利用PEDOT:PSS/CNT的热电特性，传感器的输出电压值在传感器两端温差发生变化时产生相应的变化。
[0014]进一步地，本专利技术提供的可同时检测温度和压力的双模传感器，作为压力传感器时，其对应的电阻值能够在外部压力条件下，因为传感器内部的泡孔距离和泡孔孔径发生变化而产生相应的变化。
[0015]进一步地，本专利技术提供的可同时检测温度和压力的双模传感器，因为其对温度与压力检测的不同的传感机制，传感器的输出电压变化值与电阻变化值是相互独立的，互不干扰。
[0016]本专利技术还保护所述的可同时检测温度和压力的双模传感器的制备方法，首先通过方糖
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模板牺牲法制备三维柔性多孔PDMS泡沫，接着利用聚多巴胺对泡沫进行表面改性，然后通过浸渍法在泡沫表面包覆PEDOT:PSS/CNT，最后在复合泡沫两端通过银浆粘贴铜电极即可得到柔性温度
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压力双模传感器。
[0017]在本专利技术的优选的实施方式中，所述的制备方法包括以下步骤：
[0018](1)将方糖放入PDMS预聚物中，该预聚物是由硅凝胶基质和固化剂以1:1～10:1的质量比混合制备的，然后放在真空环境6～24小时，以确保方糖的孔隙被PDMS预聚物填充；
[0019](2)将步骤(1)中所得样品置于50～80摄氏度下固化2～6小时，对固化后的样品用水溶解方糖并干燥得到PDMS泡沫；
[0020](3)将盐酸多巴胺溶于三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液，盐酸多巴胺的浓度为1～4mg/mL；再将得到的PDMS泡沫在室温下浸入所述缓冲溶液，并搅拌6～24小时以进行充分的氧化还原反应；
[0021](4)对反应所获得样品使用去离子水冲洗并干燥得到聚多巴胺@PDMS泡沫；
[0022](5)将聚多巴胺@PDMS泡沫浸入PEDOT:PSS/CNT混合溶液，然后放在真空环境6～12小时并干燥得到PEDOT:PSS/CNT@聚多巴胺@PDMS泡沫；混合溶液中PEDOT:PSS与CNT的质量比为1:5～1:1；
[0023](6)对步骤(5)中得到的复合泡沫相对的两个表面使用导电银浆粘贴铜电极以构成可同时检测温度和压力的双模传感器。
[0024]优选的，步骤(1)中，硅凝胶基质和固化剂的质量比优选为10:1，放在真空环境12小时。
[0025]优选的，步骤(2)中，固化温度为70摄氏度，固化时间为2小时。
[0026]优选的，步骤(3)中，盐酸多巴胺的浓度为2mg/mL，搅拌时间为24小时。
[0027]优选地，步骤(5)中，混合溶液中，PEDOT:PSS与CNT的质量比为1:3，放在真空环境12小时。
[0028]本专利技术还保护所述的可同时检测温度和压力的双模传感器的应用，传感器可通过集成式的阵列用于可穿戴电子皮肤。
[0029]与现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可同时检测温度和压力的双模传感器，其特征在于，包括三维柔性基底和包覆于所述三维柔性基底表面的活性层；所述三维柔性基底由聚多巴胺改性PDMS泡沫制备而成；所述活性层为具有热电和导电特性的PEDOT:PSS/CNT复合而成。2.根据权利要求1所述的双模传感器，其特征在于，所述PDMS泡沫是以方糖为模板，通过模板牺牲法得到的；聚多巴胺是多巴胺在碱性环境下，通过氧化还原反应原位生长在PDMS泡沫表面。3.根据权利要求1所述的双模传感器，其特征在于，所述PEDOT:PSS电导率不低于1000S/cm；所述CNT为单壁碳纳米管，长度5
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30μm，直径小于2nm。4.根据权利要求1所述的双模传感器，其特征在于，所述活性层PEDOT:PSS/CNT中，PEDOT:PSS与CNT的质量比为1:5～1:1；CNT和PEDOT:PSS之间的能量过滤效应能够提高传感器的塞贝克系数。5.根据权利要求1所述的双模传感器，其特征在于，所述的双模传感器作为温度传感器时，能够利用PEDOT:PSS/CNT的热电特性，传感器的输出电压值在传感器两端温差发生变化时产生相应的变化；作为压力传感器时，其对应的电阻值能够在外部压力条件下，因为传感器内部的泡孔距离和泡孔孔径发生变化而产生相应的变化；所述的双模传感器对温度与压力检测的不同的传感机制，传感器的输出电压变化值与电阻变化值是相互独立的，互不干扰。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的双模传感器的制备方法，其特征在于，首先通过方糖
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模板牺牲法制备三维柔性多孔PDMS泡沫，接着利用聚多巴胺对泡沫进行表面改性，然后通过浸渍法在泡沫表面包覆PEDOT:PSS/CNT，最后在复合泡沫两端通过银浆粘贴铜电极即可得到柔性温度
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压力双模传感器。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓锋，高福临，闵芃，高宣智，于中振，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：