[发明专利]一种应变不敏感的柔性可拉伸温度/湿度传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种应变不敏感的柔性可拉伸温度/湿度传感器及其制备方法，属于柔性可穿戴电子学领域和复合材料技术领域。由柔性基体层和温度/湿度敏感层组成，温度/湿度敏感层通过3D打印的方式半嵌入柔性基体层表面形成蛇形弯曲结构。本发明通过流延刮涂技术实现柔性基体层的快速制备，利用3D打印技术实现蛇形弯曲结构温度和湿度敏感层的可控制备，蛇形弯曲结构有效消除外界拉伸应变对温度传感器的影响，可使柔性温度传感器不受外界变形的影响。所获得的柔性温度/湿度传感器具有良好拉伸特性，温度或湿度传感功能不受外界应变影响，在柔性可穿戴设备、人体健康监测等领域具有广泛应用前景。

技术领域

本发明属于柔性可穿戴电子学领域和复合材料技术领域，一种应变不敏感的柔性可拉伸温度/湿度传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着智能可穿戴设备的迅速发展，柔性可穿戴器件的需求日益凸显，而柔性传感器则是柔性可穿戴器件的核心被广泛关注。柔性温度/湿度传感器将温或湿度度信号转换为电信号，能够对人体的生理信息等进行有效实时监测。同时，柔性温度/湿度传感器柔韧性好，易于集成，使其越来越受到研究者的青睐。

目前，柔性温度/湿度传感器主要是在柔性基底材料如聚酰亚胺(polyimide，Kapton)、聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)、聚醚砜(polyethersulphone，PES)、聚醚酰亚胺(polyetherimide，PEI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate，PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)上沉积温敏或湿敏材料，从而获得柔性温度/湿度传感器。例如，Liu等研究了一种基于聚乙烯亚胺/还原氧化石墨烯(PEI/RGO)的片状电阻式柔性温度传感器(Q.Liu et al.Adv.Mater.Technol.2019,1800594)。Zhang等提出了化学还原的石墨烯(RGO)/聚氯化二烯丙基二甲铵(PDDA)复合材料薄膜状湿度传感器(D.Zhang et al.Sensors and Actuators B 197(2014)66–72)。韩国Park等提出一种在柔性基底上沉积金属的柔性温度响应传感器(KR20160021580)。虽然这些传感器具有良好的柔韧性，但是，这些柔性传感器均不能承受拉伸作用，传感器对外界应力/应变的作用比较敏感，从而在受拉伸时不能精确敏感温度或湿度。对于可穿戴应用来说，柔性温度和湿度传感器具有拉伸不敏感特性至关重要。东华大学的李乔等人提出一种针织结构柔性可拉伸温度传感器(专利：CN201710183594.8)，能够紧密贴合在人体表面实现温度的实时监测。David Thomas Britton等人提出一种柔性温度传感器，采用应变传感器来补偿温度传感器对应变的敏感(US 2015/0016487A1)。虽然有研究者提出可拉伸的温度传感器，但是这些传感器结构比较复杂，制备过程困难，在实际应用中还有一定的困难。因此，制造低成本的柔性可拉伸的温度/湿度传感器仍是一个需要解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应变不敏感的柔性可拉伸温度/湿度传感器及其制备方法，该应变不敏感的柔性可拉伸温度/湿度传感器具有良好的柔韧性和拉伸特性，结构设计合理，制备方法简单，本发明能够解决现有柔性温度/湿度传感器对应变敏感和不具拉伸特性的不足的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的一种应变不敏感的柔性可拉伸温度/湿度传感器，包括柔性基体层和温度/湿度敏感层，所述温度/湿度敏感层为通过3D打印的方式半嵌入在柔性基体层表面形成的蛇形弯曲结构，在温度/湿度敏感层两端引出电极后被封装；

其中，柔性基体层为柔性聚合物制成的弹性体，温度/湿度敏感层是由温度/湿度敏感导电填料填充弹性体构成的纤维状复合材料层。

优选地，弹性体所用材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、铂催化硅橡胶(Ecoflex)和室温硫化橡胶(RTV)中的一种或几种。