[发明专利]基于纳米粒子点阵量子电导的柔性温敏压力传感器及其组装方法和应用

说明书

本发明公开了基于纳米粒子点阵量子电导的柔性温敏压力传感器及其组装方法和应用，所述传感器包括高分子聚合物薄膜，金属纳米粒子点阵、金属微电极和电导测量外电路；其中，至少一组金属纳米粒子点阵沉积于高分子聚合物薄膜的上下表面，且各组内上下表面的金属纳米粒子点阵位置一一对应；金属微电极设于各组金属纳米粒子点阵的两侧，且对称分布于高分子聚合物薄膜的上下表面；电导测量外电路与金属微电极电连接。本发明纳米粒子点阵的电导响应信号随粒子间距呈指数关系，因此对压力引起的形变会有极其灵敏的响应；避免了额外集成温度传感器，精简了传感结构；纳米粒子点阵的阻抗都处于兆欧量级，功耗极小；能够大面积生产与封装。

技术领域

本发明属于传感器、检测仪器领域，涉及一种能够同时测量外界压力与环境温度的可穿戴柔性传感器，通过柔性薄膜上下表面纳米粒子点阵的电导变化的幅度对比，从而提取出外界压力与温度的微小变化，具体为基于纳米粒子点阵量子电导的柔性温敏压力传感器及其组装方法和应用。

背景技术

电子皮肤是一种最新的可穿戴传感设备，在人类行为探测、生命健康监测以及人工智能、机器人等领域有着极高的应用价值。作为人类皮肤的替代品，电子皮肤在具有柔性和弹性等物理特性前提下，还要求具备触觉、温觉以及痛觉等感知能力。而这其中，尤以触觉和温觉为最基本的电子皮肤的探测功能。因此，在柔性的衬底上集成能够探测压力与温度的传感器对于开发电子皮肤有极其重要的意义。就目前而言，柔性的压力传感器工作模式主要分为压电式、压容式以及压阻式三大类。压电式压力传感器是利用具有压电特性的材料，在压力作用下产生一个脉冲电信号的基本原理来感知外界压力的变化。压容式传感器则是在电极板中间插入弹性的电介质，通过作用于电极板上不同的压力使得电介质的产生形变量有所区别，从而决定了电极板上的电容量的不同，以此来测量外界的压力。压阻式传感器的工作原理是由于压阻材料的内部能带结构在压力的作用下发生变化，使得材料的内阻发生变化，并以此探测外界压力的区别。这三种不同工作模式的压力传感器都存在着各自的缺点：其中，压电式传感器产生的电信号只来源于压力产生的一瞬间，且不会随着压力的维持而保持其信号幅值，因此，压电式压力传感器在实际应用中受到了极大的限制；而压容式压力传感器由于其测量的电学参量为电容，测量外电路的复杂程度远高于其他两款传感器；相比之下，虽然压阻式压力传感器的测量外电路相对要简单得多，但是其测量的分辨率有限，灵敏度不够高等缺点也是不可忽略的。此外，这三种传感器的传感性能随着温度的变化都存在有一定的漂移。所以，在电子皮肤中与压力传感器一同集成的温度传感器并不仅仅是为了增加电子皮肤的温觉，还起到矫正压力传感器温度漂移的作用。但是，将两种传感器一同集成的方式也存在着不少缺点。其一便是温度传感器的材料往往刚性比较强，容易破坏电子皮肤的柔性。另外，由于独立的温度传感器与压力传感器在位置上总归存在差异，而这种位置上的差异引起的温度差异不能被忽略时，传感器测量的信号就会失真。为了应对这种失真，人们往往采用传感器一一组对的方法，也就是将一个温度传感器与一个压力传感器一一对应，尽可能缩短传感器之间的距离，以减小这种差异带来的不利影响。可是，这种方法直接导致温度传感器的数目增加，并使得其测量成本直线上升。综上，寻找一种能实现对温度与压力同步传感的功能材料成为了电子皮肤产业急需解决的难题。

在先期的研究中已发现，电子在金属纳米粒子点阵中的隧穿电导能够轻易地感应到衬底上微小的形变。据此，已开发出基于纳米粒子点阵量子电导的应变传感器、振动传感器和大气压计等(参考文献如Nanoscale,2014,6,3930，参考专利如CN105444872A等)。纳米粒子点阵的电导会在其所附着的衬底被压缩后有所增大，在衬底被拉伸后则会减小。但通过在柔性衬底上下两个表面同时制备纳米粒子密集点阵并实现压力与温度的并行测量，则尚未被研究开发。

发明内容