[发明专利]基于摩擦纳米发电机的透气型柔性压力传感器及其制备

说明书

本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的透气型柔性压力传感器及其制备方法。所述的基于摩擦纳米发电机的透气型柔性压力传感器，其特征在于，包括柔性碳纳米纤维薄膜以及设于其上的通过静电纺丝得到的纳米纤维薄膜，所述的柔性碳纳米纤维薄膜通过将静电纺丝得到的纳米颗粒掺杂的纤维薄膜进行碳化处理得到。本发明制备的压力传感器可有效监测外力变化，具有较高灵敏度，其透气和柔性特征确保人体穿戴舒适性，在人体医疗可穿戴检测领域有着广泛的应用空间。

技术领域

本发明属于新型传感器技术领域，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机的透气型柔性压力传感器制备方法。

背景技术

为满足人们对健康状况实时监测的需求，越来越多的研究团队结合微纳电子技术和医疗检测技术设计出可穿戴的传感器，用于监测人体心跳、脉搏、血糖、血压等生理信号。其中脉搏、心跳所呈现形态、强度和速率等综合信息能有效反映出人体心血管系统中许多生理病理特征。通过压力传感器技术实时检测脉搏信号等人体生理信号，不仅能及时预防心血管疾病，同时可以辅助人体进行运动调控。

单电极摩擦纳米发电机能够与人体皮肤构成完整的电信号产生系统。通过心脏、血管间歇跳动，实现皮肤与摩擦层之间的接触分离，从而引起摩擦层背面电极电势变化，产生相应电信号。摩擦纳米发电机独特的工作机理，能将有效捕捉微弱的人体信号，真实地反映出人体心血管状态变化。

目前常用的压力传感器主要包括压阻式传感器、压电式传感器、电容式传感器、晶体管式传感器。国内专利CN104224115A公开了一种基于压电陶瓷的人体信号检测装置，可放置于床垫下方，在受到人体挤压作用力时会产生电信号。国内专利CN202793657U公开了一种陶瓷电阻式压力传感器。国内CN105708425A专利公布了一种以聚二甲基硅氧烷为衬底材料、表面附着有石墨烯的纳米纤维为敏感材料的电阻式压力传感器。国内专利CN106608612A公开了一种基于摩擦发电纳米发电机和晶体管的主动式触觉传感器，对外刺激具有很好的灵敏度。国内专利CN106655873A公开了一种基于摩擦纳米发电机的自驱动传感器，用于监测人体睡眠中的肢体运动、体位变化。但是目前这些传感器存在着制备工艺复杂、灵敏度差、缺乏柔性和透气性等缺点，难以满足可穿戴以及对人体生理信号监测的需求。为满足人体可穿戴需求，国内专利CN104963089A公布了一种柔软透气的电极薄膜材料、触觉传感器，但是该触觉传感器基于压电原理，灵敏度为几十pC/(N·cm²)，灵敏度较低，无法满足人体脉搏等微弱信号的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于摩擦纳米发电机的透气型柔性压力传感器及其制备，结合静电纺丝技术和摩擦纳米发电机技术，制备得到透气型柔性压力传感器。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的透气型柔性压力传感器，其特征在于，包括柔性碳纳米纤维薄膜以及设于其上的通过静电纺丝得到的纳米纤维薄膜，所述的柔性碳纳米纤维薄膜通过将静电纺丝得到的纳米颗粒掺杂的纤维薄膜进行碳化处理得到。

优选地，所述的柔性碳纳米纤维薄膜的厚度为5-80μm，所述的纳米纤维薄膜的厚度为5-60μm。

本发明还提供了上述的基于摩擦纳米发电机的透气型柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：

第一步：将用于摩擦起电的聚合物材料加入到相应溶剂中，通过搅拌形成单一聚合物溶液或者含两种以上聚合物的混合溶液；将得到的溶液加入到静电纺丝装置中进行静电纺丝，制备得到纳米纤维薄膜；

第二步：将制备碳纳米纤维的聚合物和纳米颗粒加入到相应溶剂中，并添加纳米颗粒，通过搅拌超声形成单一聚合物溶液或者含两种以上聚合物的混合溶液；将得到的溶液放入到静电纺丝装置中进行静电纺丝，制备得到纳米颗粒掺杂的纤维薄膜；

第三步：将第二步得到的纳米颗粒掺杂的纤维薄膜进行碳化处理，得到柔性碳纳米纤维薄膜；