[发明专利]一种基于超级电容传感原理的一体式柔性可拉伸触觉传感器

说明书

本发明提供了一种基于超级电容传感原理的一体式柔性可拉伸触觉传感器，包括依次设置的泡沫上电极层、泡沫电解质层、泡沫下电极层，所述泡沫电解质层由包括溶剂、高分子材料、酯类、离子载体和细菌纤维素的混合物经过发泡制得，五者的质量比为(25‑30):(3‑4)：(4‑6):(1‑2):(0.4‑0.6)，所述泡沫上电极层和泡沫下电极层的材质相同，由包括溶剂、高分子材料、酯类、导电材料和细菌纤维素的混合物经过发泡制得，五者的质量比为(25‑30):(3‑4)：(4‑6):(3‑4):(0.4‑0.6)。本发明所述的传感器具有器件整体结构一体化的特点，电极与电解质之间结合很好且没有微观物理间隙，基于超级电容原理获得高灵敏度和宽检测量程的同时，还具有超高柔性和可拉伸优势。

技术领域

本发明属于柔性传感器技术领域，尤其是涉及一种基于超级电容传感原理的一体式柔性可拉伸触觉传感器。

背景技术

软电子设备的可伸缩、可穿戴、灵活和人性化发展，对于满足人们日益增加的现代电子产品复杂性和多功能性的要求具有重要意义。应变传感器可以在受到机械变形时产生可重复的电变化，其在机器人、运动、健康监测和治疗等领域有着广泛的应用。目前，传感器在柔性化和可拉伸化发展方面，还存在材料性能和器件结构上的缺陷。针对电极材料，迄今为止已有的几种具有代表性的应变传感器使用碳纳米管、金属/半导体、石墨烯和导电聚合物等导电材料，并通过将其与弹性体基底复合的方式实现电极的柔性化。。然而，通过导电层与基底层粘附结合的方式得到的电极，其拉伸性能有限，拉伸率通常小于200％。针对整个传感器件，通常是由分别制得的电极层和传感功能层(如电介质层、压电层)经过贴附结合得到。由于器件各部分之间不是有机结合的整体，因此其在柔性弯曲和反复拉伸的使用过程中，各部分很容易发生劈裂甚至脱离。有限的柔性和拉伸程度导致了传感器测量因子小、测量范围小、灵敏度不高、长期重复性差等缺陷。

发明内容

针对上述领域难题，本发明提出一种器件整体结构一体化的触觉传感器，电极层与电解质层基于同一网络基底材质结合成为统一的一体，内部通过添加不同的功能材料实现电极导电和离子传导的不同功能。另外，本传感器基于超级电容传感原理，获得高灵敏度和宽检测量程的同时，还具有超高柔性和可拉伸优势。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于超级电容传感原理的一体式柔性可拉伸触觉传感器，包括依次设置的泡沫上电极层、泡沫电解质层、泡沫下电极层，所述泡沫电解质层由包括溶剂、高分子材料、酯类、离子载体和细菌纤维素的混合物经过发泡制得，五者的质量比为(25-30):(3-4)：(4-6):(1-2):(0.4-0.6)，所述泡沫上电极层和泡沫下电极层的材质相同，由包括溶剂、高分子材料、酯类、导电材料和细菌纤维素的混合物经过发泡制得，五者的质量比为(25-30):(3-4)：(4-6):(3-4):(0.4-0.6)。

优选地，所述溶剂为水或离子液体，其中，所述离子液体为在室温或接近室温下呈现液态的且完全由有机阳离子与无机或有机阴离子组成盐，阳离子包括但不限于季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子、吡咯盐离子，阴离子包括但不限于卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子。

优选地，所述高分子材料包括但不限于聚乙烯醇(PVA)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)或聚苯乙烯(EPS)。

优选地，所述酯类包括但不限于碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸乙二酯(DEC)中一种或两种以上的混合物。

优选地，所述离子载体为酸、碱、盐中一种或两种以上的混合物，优选为硫酸、磷酸、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸钠、碳酸氢钠中一种或两种以上的混合物。

所述细菌纤维素是是由微生物发酵合成的多孔性网状纳米级生物高分子聚合物，可以增强电极与电解质的抗拉伸性能，其原理为：细菌纤维素与聚乙烯醇之间氢键形成了双网结构，可以以最快的速度传递应力。