[发明专利]一种复合微结构的柔性应力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种复合微结构的柔性应力传感器及其制备方法，属于传感器领域，方法为将两种一维纳米材料分散于乙醇、异丙醇等溶剂中，搅拌后再超声半小时，此过程重复至纳米材料均匀分散；步骤二、将弹性绳浸入上述步骤一的导电纳米材料的分散液中，搅拌并超声2小时使得导电纳米材料能充分地黏附于弹性绳表面的纺织纤维上；步骤三、将上述弹性绳取出后置于空气中晾干，并在其两端分别连接一根金属线作为引出电极即可。本发明综合了纺织微结构基底可拉伸范围大、稳定性好以及一维导电纳米材料灵敏度高、响应迅速的特点，制备出的柔性应力传感器综合性能优异，具有高灵敏度高拉伸性。

技术领域

本发明属于传感器领域，涉及一种复合微结构的柔性应力传感器及其制备方法。

背景技术

传统的应力传感器由于其刚性、测量范围小、灵敏度低的特点，使用范围受到了很大的限制，进一步改良的余地也变得越来越小。柔性应力传感器具有可穿戴、高性能、低成本、低功耗、测量范围大、生物兼容性好、轻量便携的特点，在可穿戴设备、电子皮肤、智能机器人、柔性显示屏等领域展现出广阔的应用潜力和发展前景

然而，大多数应力传感器中存在高灵敏度和高拉伸范围之间的矛盾关系。例如，基于金属纳米颗粒的柔性应力传感器具有高灵敏度但相当低的可拉伸范围，而基于碳纳米管的柔性应力传感器具有高的可拉伸范围和低的灵敏度。因此，获得具有优异的综合性能(高灵敏度、大的拉伸范围、快的响应时间和良好的稳定性)的柔性应力传感器是该领域发展中亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中柔性应力传感器存在的可拉伸范围以及灵敏度不能兼得的缺陷，采用表面具有纺织纤维结构的弹性绳作为基底，以超声混合的方法制备复合一维导电纳米材料作为传感材料，将该传感材料黏附于弹性绳基底表面，使得传感器具有大的可拉伸范围以及较好的稳定性。

本发明是这样实现的：

本发明的柔性应力传感器包括表面具有纺织纤维结构的弹性绳作为基底，以及黏附于弹性绳表面的纺织纤维上的传感材料；所述的纺织纤维包括棉纤维、麻纤维、尼龙纤维、腈纶纤维、涤纶纤维；所述的纺织纤维内芯为乳胶、橡胶；所述的传感材料为复合一维导电纳米材料，包括碳纳米管与金属纳米线或者碳纤维和金属纳米线的复合。

本发明还公开了基于复合一维导电纳米材料-弹性纺织纤维微结构基底的柔性应力传感器的制备方法，步骤如下：

步骤一、将两种一维纳米材料，即碳纳米管与金属纳米线或者碳纤维和金属纳米线分散于乙醇或者异丙醇有机溶剂中，充分混合搅拌5-10分钟后，再超声半小时，此过程重复4次，确保两种一维纳米材料均匀分散；本发明采用上述超声混合的方法用于柔性应力传感器的纳米材料导电网络制备，具有简单、低成本、室温操作、环保无污染的优点。

步骤二、将表面具有纺织纤维结构的弹性绳浸入上述步骤一的导电纳米材料的分散液中，搅拌并超声1-2小时使得导电纳米材料能充分地黏附于弹性绳表面的纺织纤维上；使用表面具有纺织纤维的弹性绳作为柔性应力传感器的微结构基底，由于弹性绳表面的纺织纤维结构类似于弹簧状，使得传感器具有大的可拉伸范围和较好的稳定性。

步骤三、将上述步骤二中表面黏附了导电纳米材料的弹性绳取出后置于空气中晾干，并在其两端分别连接一根金属线作为引出电极，即获得一种纺织纤维微结构基底的柔性应力传感器。

进一步，所述的导电纳米材料分散液的浓度为5-20mg/mL，两种一维纳米材料碳纳米管或碳纤维与金属纳米线的质量比为1-10％。

进一步，所述的金属纳米线具有优异导电性的稳定性，包括银纳米线、铜纳米线、金纳米线。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：