[发明专利]双功能柔性传感器及其制备方法、可穿戴设备

说明书

本发明公开了一种双功能柔性传感器及其制备方法、可穿戴设备。其中，双功能柔性传感器包括：碳化纤维层，掺杂有压电纳米颗粒；以及柔性绝缘层，封装该掺杂有压电纳米颗粒的碳化纤维层。在该双功能柔性传感器与外界物体接触或者受到拉伸、弯曲等形变时，基于碳化纤维层的阻抗变化、传感器与外界物体的接触摩擦、以及压电纳米颗粒的晶格变化产生的压电效应这三种工作原理，实现了曲率、压力传感两种工作模式，具有良好的柔韧性、便携性、自驱动压力传感、以及压力探测灵敏度较高的特点；该柔性传感器的模块化程度高，可以应用在不同的身体部位，实现多个物理量的测量，实现多种人体活动的传感，应用范围广泛。

技术领域

本公开属于传感器技术领域，涉及一种双功能柔性传感器及其制备方法、可穿戴设备。

背景技术

近年来，随着智能终端的普及，柔性可穿戴设备呈现出巨大的市场前景，吸引了研究人员与商业团体的兴趣。这些设备大都具有小型化、便携性的特点，在人机交互技术与物联网领域有很大的应用潜力。传感器作为核心部件之一，将会影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。目前很多具有不同探测功能的传感器已经被开发应用，比如探测热、压力、应变或化学物质的传感器等。而在传感器可探测的性能基础上增加柔性的特性，无疑使其应用场景和范围大大拓宽，便于携带或者进行穿戴，更有助于帮助人类扩展感知范围，提高用户体验。

柔性可穿戴传感器可探测的物理变化可以是脉搏、心脏跳动，或者是眨眼，肢体运动等。基于不同材料的柔性传感器已经有人研究，利用不同传感机理的传感器也有很多。尤其最近，基于摩擦纳米发电机的传感器实现了各式各样的物理量测量。然而，绝大多数传感器都是基于一种机理实现单一的功能，实现多种测量功能的传感器还是鲜有人提出。在功能多样化和集成化需求越来越迫切的推动下，有必要提出一种同时能够实现两种或多种物理量的测量的柔性传感器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种双功能柔性传感器及其制备方法、可穿戴设备，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种双功能柔性传感器，包括：碳化纤维层，掺杂有压电纳米颗粒；以及柔性绝缘层，封装该掺杂有压电纳米颗粒的碳化纤维层。

在本公开的一些实施例中，碳化纤维层的纤维材料包括如下材料中的一种：聚丙烯腈纤维、酚醛树脂纤维；和/或碳化纤维层的厚度介于50μm～500μm之间；和/或碳化纤维的纤维直径介于200nm～1.5μm之间。

在本公开的一些实施例中，压电纳米颗粒包括如下材料中的一种或几种：钛酸钡、氧化锌、铁酸铋、锆钛酸铅、铌镁酸铅、偏铌镁酸纳；和/或压电纳米颗粒的粒径介于5nm～100nm之间。

在本公开的一些实施例中，柔性绝缘层的材料包括如下材料中的一种：柔性硅胶或者聚二甲基硅氧烷。

在本公开的一些实施例中，该双功能柔性传感器作为压力传感器，实现自驱动的压力传感；或者该双功能柔性传感器作为曲率传感器，实现对弯曲的传感，所述弯曲表示弯曲量或弯曲状态；或者该双功能柔性传感器同时作为压力传感器和曲率传感器，同时实现对压力和弯曲的传感。

根据本公开的另一个方面，提供了一种双功能柔性传感器的制备方法，包括：制备掺杂有压电纳米颗粒的纤维层；碳化处理掺杂有压电纳米颗粒的纤维层，得到掺杂有压电纳米颗粒的碳化纤维层；以及封装该掺杂有压电纳米颗粒的碳化纤维层，完成双功能柔性传感器的制备。

在本公开的一些实施例中，制备掺杂有压电纳米颗粒的纤维层的步骤包括：配置压电纳米颗粒和聚合物纤维材料的静电纺丝溶液，采用静电纺丝工艺对该静电纺丝溶液进行纺丝，制备得到掺杂有压电纳米颗粒的纤维层，其中，静电纺丝的温度介于15℃～30℃之间，湿度小于30％，纺丝电压介于1kV～25kV之间。