[发明专利]一种基于改性纸基的高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于改性纸基的高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法，该压力传感器是以经氢氧化钠改性后的纸基浸渍导电溶液后作为触觉敏感单元。本发明所得压力传感器具有高灵敏度、快速响应特性、低检测极限和持久性能，可用作电子皮肤监测人体各种生理参数，如脉搏、呼吸、声音等。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于改性纸基的高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

可穿戴柔性压力传感器作为一种具备高柔性、具有类似人体皮肤触觉功能的传感灵敏度、可实现外界环境信息感知功能的人造柔性电子器件，在人工智能、生物电子和医疗以及人机交互领域具有广泛的应用前景。构想、设计和制备用于脉搏、呼吸和声音等生理参数监测的柔性压力传感器最近颇受关注，成为柔性电子、人造皮肤以及医疗保健等领域的研究热点。基于上述应用所使用的传感器必须具有柔韧性、高灵敏度、快速响应等优良特性。

纸张是人们日常生产生活中最为常见的一种材料，在通信、教育和艺术领域发挥着重要作用。近年来采用纸基材料制作柔性电子器件的研究不断涌现，由于纸基作为一种低成本和广泛可用的材料的同时，也具有重量轻、可生物降解、易于制备、表面大、可折叠成3D结构等优点，因而引起了研究人员极大的兴趣，并为制造柔性压力传感器提供了极具吸引力的替代方案。针对纸基压力传感器，从填料选择、制备工艺和传感方式等方面出发，最近国内外研究人员进行了广泛的研究，研制出多种压力传感器。Zhaoyao Zhan等人通过简单的浸涂和热处理工艺制造了基于新型单壁碳纳米管薄纸的柔性可穿戴压力传感器，是将碳纳米管薄纸堆叠在PI基板上的叉指电极上并用PDMS层封装，从而制造出可用于生理信号采集和柔软机器人皮肤的柔性可穿戴压力传感器，但是这样的方法存在一定问题：虽然采用叉指电极可以获得较快的响应速度，但由于纸基纤维彼此纠缠黏合在一起降低了传感器的灵敏度。Shu Gong等人采用同样的方法制造了基于银纳米线薄纸的柔性可穿戴压力传感器，同样具有灵敏度不高的问题。Tao等人基于热还原处理工艺制备出一种石墨烯纸压力传感器，由于采用多层纸基提高了灵敏度，但是响应速度有限。

高灵敏度的压力传感器可用于检测人体生理信息如脉搏、呼吸、声音等各种小的压力信号，快速的响应时间有利于实时监测复杂多变的压力负荷。因此，开发一种同时具有高灵敏度和快速响应等优良特性的纸基压力传感器，扩大纸基压力传感器在智能穿戴设备中的应用，满足不同场合的不同需求，是十分必要的。

发明内容

本发明基于浸渍-包裹的方法，提出了一种基于改性纸基的高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法，旨在解决现有纸基压力传感器灵敏度低、响应时间慢以及耐久性差的问题，并改善压力传感器作为可穿戴器件的能力。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

一种基于改性纸基的高灵敏度柔性压力传感器，其特点在于：所述压力传感器是以经氢氧化钠改性后的纸基浸渍导电溶液后作为触觉敏感单元。

所述经氢氧化钠改性后的纸基，是通过将纸基在氢氧化钠溶液中浸泡，使其内部的纤维链间氢键被削弱，纤维结构形态改变。纤维链间氢键被削弱，可以降低纤维间粘合力以形成良好的三维空间结构；纤维结构形态改变，使纸基内部增加了更多的孔洞，从而使得纸基在压力加载的过程中产生更为明显的形态变化，使得纸基传感单元与电极之间由于外力导致的接触更容易被检测到，表现为传感器的电阻变化，最终表现为传感器的电学特性的提升。

进一步地，所述导电溶液为石墨烯、炭黑和硅橡胶的复合石脑油溶液，其中石墨烯、炭黑和硅橡胶的质量比为1:1:25。

进一步地，所述石墨烯的纯度不低于99.5％、厚度小于10nm、片层直径为3-25μm；所述炭黑平均粒径为25-30nm；所述硅橡胶纯度不低于90％。

进一步地，所述传感器的结构为：在所述触觉敏感单元的一面设置柔性叉指电极、另一面设置微圆顶触头阵列，三者以层层叠加的方式组装成触觉敏感单元；在所述触觉敏感单元的两侧通过两片硅橡胶薄膜进行一体化封装。