【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米复合材料，具体涉及一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器。
技术介绍
1、随着医学领域对实时监测和高精度数据的需求不断增加，弹性应变传感器在医疗领域中快速发展。弹性材料集成可穿戴技术制备的弹性应变传感器可以灵活贴附在人体皮肤及关节上，对人体的生理信号和运动信号进行高精度的实时监测。常见的弹性应变传感器传输方式有电信号、光信号以及磁信号等。
2、常见的电信号应变传感器通过将感知的外部物理和机械刺激编码为可检测的电信号，但单一的电信输出难以应对复杂的户外紧急情况。通过集成结构色应变传感器得到的光电双功能应变传感器可以实现器件和用户之间的直接智能交互，同时弥补了结构色应变传感器在微小应变中的检测缺陷。人体细微生理运动信号通过导电网络准确监测，大应变关节运动在电信号监测的同时可以通过光信号可视化读出，在紧急事故可以对人体撞击程度进行的快速判断，为医生提供了重要的参考信息。
3、目前这类传感器已有一些研究，但仍存在诸多问题。例如现有光电双功能应变传感器最常见的种类为导电光子凝胶型，即将导电材料或导电聚合物填入光子凝胶中，例如中国专利cn111393708a提供了一种可拉伸的粘附性导电结构色水凝胶薄膜及其制备方法，将水凝胶溶液浇筑在反蛋白石结构中。但由于结构色颜色鲜艳度取决于材料的折射率对比度，而水凝胶的折射率与光子晶体材料的折射率相差较小，故难以表现出鲜艳度较高的颜色。此外，基于结构色和电阻的双功能应变传感器的灵敏度通常会受到材料和设计的限制。在低应变范围下，传感器的电信号灵敏度较低(gf＜5)，无
4、由纳米材料构成的弹性应变传感器有高灵敏度、快速响应、可拉伸等优点。但在器件制备过程中，由于纳米材料的特殊性质和结构，如何确使纳米材料与其他组件的紧密结合以保持器件稳定性具有很大挑战。基于此，本专利技术提供一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，弥补了现有弹性应变传感器只能传输单一电信号的不足，同时具备结构色鲜艳度高、超灵敏、宽传感范围及高稳定性的优点。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，包括上层弹性基质、设于上层弹性基质上的微凸光子晶体层、下层弹性基质及设于下层弹性基质中的复合导电薄膜。所述光子晶体层用于仿生变色龙皮肤通过结构色变化判断应变程度以实现可视化传感，光子晶体层增强了二维布拉格衍射，显著增强结构色的鲜艳度，双功能传感。
3、优选的，光子晶体由纳米颗粒周期性排列所形成，微凸光子晶体层指嵌入上层弹性基质中的纳米颗粒阵列有部分显露在表面，形成周期性凸起结构。
4、优选的，微凸光子晶体层与空气产生高折射率对比度，并且在拉伸应变下由于纳米颗粒与弹性基质模量不匹配形成正弦亚微米结构，作为衍射光栅增强了二维布拉格衍射，二者同时作用显著提高了结构色鲜艳度。
5、所述复合导电薄膜用于仿生蜘蛛腿部狭缝感器及人体皮肤弹性纤维，通过电阻变化判断微小应变程度实现超灵敏和高稳定传感。
6、优选的，所述复合导电薄膜包括导通层、连接层及增敏层，所述复合导电薄膜中的增敏层用于仿生蜘蛛腿部狭缝感器实现超高灵敏度，所述连接层用于增强界面粘合力，提高导电网络的稳定性和可靠性，所述导通层用于仿生人体皮肤中的弹性纤维实现高拉伸性。
7、优选的，当传感器受到微小形变时复合导电薄膜中的导通层会产生微米级的裂缝使电阻发生急剧变化，实现超高灵敏度；当传感器受到较大形变时，裂缝进一步扩大，连接层主导导电通路的连接，在维持导电性的同时使传感器实现高弹性及高拉伸率。
8、优选的，所述导通层由一维纳米材料组成，所述连接层由粘性涂层组成，所述增敏层由脆性二维导电材料组成；一维纳米纳米材料选自agnws、aunws、碳纳米管中任意一种；粘性涂层选自聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚多巴胺中任意一种，脆性二维导电材料选自mxene、石墨烯、二硫化钼中任意一种。
9、优选的，传感器电信号检测范围为0-80％，电信号传感灵敏度gf＞10，光信号检测范围为-30-300％，光信号传感灵敏度为＞0.5nm/％。
10、本专利技术还包括应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器的制备方法，包括以下步骤：
11、s01.光子晶体层的制备：将光子晶体胶体溶液匀速分散在去离子水表面形成二维光子晶体；通过表面张力梯效应使二维光子晶体形成密排结构；转移至亲水玻片后对胶体纳米颗粒进行间隙调节得到非密排结构；滴加聚合物溶液固化后从玻片上剥离，由于固化后的弹性基质仍具有粘性，在剥离时会有一部分残留在玻片上，因此得到微凸结构的光子晶体层；
12、s02.复合导电薄膜的制备：将一维纳米导电溶液经真空抽滤，干燥后得到一层导电薄膜；滴加聚合物溶液固化后剥离；导电薄膜表面进行粘性修饰提高导电网络之间的连通性；滴涂并烘干二维导电溶液；滴加聚合物溶液固化封装；
13、s03.将二维光子晶体内嵌于上层弹性基质中，将复合导电薄膜半嵌入于下层弹性基质中，制得应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器。
14、本专利技术制备的应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器应用于可穿戴电子产品、医疗设备、智能机器人中的任意一个或多个领域。
15、在上述技术方案中，本专利技术提供的技术效果和优点：
16、1、本专利技术提供一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，具体为具有超高灵敏度、宽传感范围、高稳定性的仿生皮肤传感器，其结构包括上层弹性基质、设于上层弹性基质上的微凸光子晶体层、下层弹性基质及设于下层弹性基质中的复合导电薄膜；其中，对光子晶体层中的纳米颗粒进行预处理使光信号传感范围变宽，复合导电薄膜提供超高灵敏度及高稳定性；
17、2、本专利技术通过将非紧密排列的光子晶体层嵌入上层弹性基质中形成微凸结构。弹性基质折射率一般为1.4-1.6，常用的纳米颗粒(ps、sio2)折射率一般为1.4-1.6，空气折射率为1，因此微凸结构的光子晶体会与空气产生高折射率对比度。并且在拉伸应变下，由于硬性纳米颗粒与弹性基质模量不匹配会形成正弦亚微米结构，作为衍射光栅增强了二维布拉格衍射，显著提高了结构色的鲜艳度；
18、3、本专利技术通过将复合导电薄膜中的导通层嵌入了下层弹性基质中，导电材料可以在基质中形成稳定的电流传导路径，提高了传感器的机械稳定性和耐久性，同时使导电材料对应变的感知能力增强，更准确地监测复杂环境的应变信号；
19、4、本专利技术通过将复合导电薄膜中的导通层进行了亲水处理及粘性处理，用于提高增敏材料在导通材料上的附着性，减少大应变时增敏材料的脱落，提高导电网络的稳定性和可靠性；
20、5、本专利技术复合导电薄膜中的增敏层选自脆性二维导本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于：包括上层弹性基质(1)、设于上层弹性基质(1)上的微凸光子晶体层(2)、下层弹性基质(3)及设于下层弹性基质(3)中的复合导电薄膜(4)；
2.根据权利要求1所述的一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于，光子晶体由纳米颗粒周期性排列所形成，微凸光子晶体层(2)指嵌入上层弹性基质(1)中的纳米颗粒阵列有部分显露在表面，形成周期性凸起结构。
3.根据权利要求2所述的一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于，微凸光子晶体层(2)与空气产生高折射率对比度，并且在拉伸应变下由于纳米颗粒与弹性基质模量不匹配形成正弦亚微米结构，作为衍射光栅增强了二维布拉格衍射，二者同时作用显著提高了结构色鲜艳度。
4.根据权利要求1所述的一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于，所述复合导电薄膜(4)包括导通层(41)、连接层(42)及增敏层(43)。
5.根据权利要求4所述的一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于，所述复合导电薄膜(4)中的增敏层(43)用于仿生蜘蛛腿部狭
6.根据权利要求5所述的一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于，当传感器受到微小形变时复合导电薄膜(4)中的导通层(41)会产生微米级的裂缝使电阻发生急剧变化，实现超高灵敏度；当传感器受到较大形变时，裂缝进一步扩大，连接层(42)主导导电通路的连接，在维持导电性的同时使传感器实现高弹性及高拉伸率。
7.根据权利要求5所述的一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于，所述导通层(41)由一维纳米材料组成，所述连接层(42)由粘性涂层组成，所述增敏层(43)由脆性二维导电材料组成；
8.根据权利要求1所述的一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于，传感器电信号检测范围为0-80％，电信号传感灵敏度GF＞10，光信号检测范围为-30-300％，光信号传感灵敏度为＞0.5nm/％。
9.权利要求1-8任一项所述的应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.权利要求1-8任一项所述的应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器的应用，其特征在于，应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器应用于可穿戴电子产品、医疗设备、智能机器人中的任意一个或多个领域。
...【技术特征摘要】
1.一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于：包括上层弹性基质(1)、设于上层弹性基质(1)上的微凸光子晶体层(2)、下层弹性基质(3)及设于下层弹性基质(3)中的复合导电薄膜(4)；
2.根据权利要求1所述的一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于，光子晶体由纳米颗粒周期性排列所形成，微凸光子晶体层(2)指嵌入上层弹性基质(1)中的纳米颗粒阵列有部分显露在表面，形成周期性凸起结构。
3.根据权利要求2所述的一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于，微凸光子晶体层(2)与空气产生高折射率对比度，并且在拉伸应变下由于纳米颗粒与弹性基质模量不匹配形成正弦亚微米结构，作为衍射光栅增强了二维布拉格衍射，二者同时作用显著提高了结构色鲜艳度。
4.根据权利要求1所述的一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于，所述复合导电薄膜(4)包括导通层(41)、连接层(42)及增敏层(43)。
5.根据权利要求4所述的一种应变可视化的超灵敏仿生皮肤传感器，其特征在于，所述复合导电薄膜(4)中的增敏层(43)用于仿生蜘蛛腿部狭缝感器实现超高灵敏度，所述连接层(42)用于增强界面粘合力，提高导电网络的稳定性和可靠性，所述导通层(41...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘贵师，王天琦，陈雷，黄跃，刘皓耿，曾子杰，郭炜东，陈耀飞，罗云瀚，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：
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