[发明专利]一种具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计方法

说明书

本发明公开了一种具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计方法。基于电化学氧化还原反应设计直流驱动离子水凝胶应变传感器，其中，将聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶浸入Cu(NO₃)₂溶液中，引入Cu²⁺，相应的铜电极离子水凝胶应变传感器的灵敏度、信噪比和可靠性都有了显著提高。这是由于Cu²⁺在信号传输过程中还原速度较快，水凝胶内部离子浓度相对稳定的原因。由此产生的离子水凝胶应变传感器具有非常宽的传感范围(从0.005％到2500％)，能够提供高灵敏度、可靠和精确的全范围人类活动监测。这种新策略可以很容易地推广到其他离子水凝胶和电极以及自驱动电化学系统，为各种高性能自供电直流驱动的离子水凝胶应变传感器的制造提供指导。

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及离子水凝胶应变传感器，特别地，涉及具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计。

背景技术

导电水凝胶具有良好的拉伸性能、固有的灵活性和可穿戴性，在人体活动监测、健康检测和植入式装置等方面具有广阔的应用前景。根据导电机理，水凝胶可分为两种类型：电子水凝胶和离子水凝胶。电子水凝胶是指含有由纳米材料或导电聚合物组成的电子导电网络的一类水凝胶。作为粘弹性材料，由于导电网络的粘滞变形引起的动态变化，其对外力的电响应通常表现出噪声。同时，导电填料与水凝胶基质之间的弱界面在变形过程中会引起导电网络的不可逆运动或重新排列。因此，尽管在很大程度上提高了电子水凝胶的灵敏度方面取得了很大的进展，其实际应用仍然受到低信噪比和响应可靠性较弱的限制。离子水凝胶应变传感器由于其在外力作用下具有稳定的导电通道，制备工艺简单，具有广阔的应用前景。各种离子水凝胶型电容型和电阻型应变传感器已经被开发出来，但是到目前为止，这些传感器的灵敏度相对较低，因此对人体脉搏、面部表情、发声等细微的生理活动的检测能力较弱。此外，离子水凝胶传感器一般由交流电驱动，限制了其在可穿戴设备上的应用。近年来，一些研究报道了直流驱动的红外传感器，用于实时监测全范围的人体运动。然而，离子水凝胶在直流电子电路中的电流传输机制一直没有给出，因此缺乏理论指导来解决直流离子水凝胶电阻应变传感器灵敏度低、信噪比低等问题。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，提供一种工艺简单的直流离子水凝胶电阻应变传感器的设计方法，制造的自供电的应变传感器成本低、性能高；同时，这种新策略可以很容易地推广到其他离子水凝胶和电极以及自驱动电化学系统，为各种高性能直流离子水凝胶电阻应变传感器的制造提供指导。

本发明的目的在于提供一种具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计方法，具体体现在以下几个方面：

(1)一种具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计方法，其中，所述方法包括以下步骤：

步骤1、通过热聚合或者光聚合得到聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶；

步骤2、将PAM水凝胶浸入到一定浓度的Cu(NO₃)₂溶液中一段时间；

步骤3、将步骤2得到的水凝胶两端连接到两个不同的铜电极上，集成离子水凝胶电阻应变传感器。

(2)根据上述(1)所述的设计方法，其中，在步骤2中，所述Cu(NO₃)₂的浓度为0.01～2M，优选为0.05～1.5M，更优选为0.05～1M；

(3)根据上述(1)至(2)所述的设计方法，其中，在步骤2中，

所述浸入Cu(NO₃)₂溶液中的时间为10～120min，优选为20～80min；更优选为30～60min；