[发明专利]基于自供能的柔性可延展力学传感系统及制备方法

说明书

本发明提出一种基于自供能的柔性可延展力学传感系统及制备方法，包括：相连接的基于褶皱电极材料的可拉伸纳米发电机、可拉伸叉指电极超级电容器阵列和基于褶皱形貌石墨烯电极的力学传感器。其利用纳米发电机给叉指电极超级电容器阵列充电，在此基础上借助叉指电极超级电容器阵列给基于石墨烯的力学传感器供能。在此系统中，基于褶皱电极的纳米发电机、叉指电极的超级电容器阵列和基于褶皱形貌石墨烯的力学传感器均具有柔性可延展特性，因此该自供能的力学传感器系统可以应用于便携式、可穿戴、可植入电子器件平台。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种基于自供能的柔性可延展力学传感系统及制备方法。

背景技术

近十年来，随着智能柔性可穿戴设备在医疗健康监护、人机融合、人工智能等领域的广泛应用，柔性电子技术向智能化、集成化、多功能化的方向快速发展。尽管柔性电子器件在降低功耗方面取得了重要进展，但能源的供给和消耗依然是柔性电子发展最关键的限制因素，研究开发基于新型能源高效采集的自主式供电柔性传感器成为柔性智能电子的重要研究方向。

此外，人体会持续的产生广泛的生物信号，生理机械信号 (如压力、应力的触觉感知) 和生物化学信号等信号。然而，传统的力学传感器不仅过于庞大且不具备柔性，很难满足贴合皮肤、可穿戴和可植入的需求；并且需要外接电源提供能量，会降低传感器的寿命并造成环境污染。因此，利用人体自身生理机械信号构建摩擦纳米发电机以收集能量，借助柔性超级电容器存储能量，实现对柔性可穿戴力学传感器供能，获得自供能的力学传感系统具有重大的科学意义和市场价值。

发明内容

针对现有传感技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提出一种基于自供能的柔性可延展力学传感系统及制备方法，其利用材料生长技术联合预拉伸策略制备基于褶皱电极材料的纳米发电机，借助激光直写技术制备特定形貌的叉指电极超级电容器阵列，以及利用化学气相沉积法和预拉伸策略制备基于褶皱形貌石墨烯的力学传感器。本发明利用纳米发电机给叉指电极超级电容器阵列充电，在此基础上借助叉指电极超级电容器阵列给基于褶皱石墨烯的力学传感器供能。在此系统中，基于褶皱电极的纳米发电机、叉指电极的超级电容器阵列和褶皱形貌石墨烯的力学传感器均具有柔性可延展特性，因此该自供能的力学传感器系统可以应用于便携式、可穿戴、可植入电子器件平台。本发明具有通用性强、易于推广、制作成本低、操作简单等优点。其可以有效解决传统力学传感器难以满足贴合皮肤、可穿戴的需求，并且避免外接电源造成传感器寿命降低和电池污染的问题，推动了可穿戴电子设备的应用和发展，在电子皮肤、可穿戴生理监测治疗装置和透明薄膜柔性门电路等领域有广泛的应用前景。

本发明不仅可以实现力学传感器的自供能，而且可以实现供能器件、储能器件和传感器件的柔性可延展，从而实现该自供能力学传感系统的易于贴合皮肤和可穿戴的目的。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于自供能的柔性可延展力学传感系统，其特征在于，包括，相连接的基于褶皱电极材料的可拉伸纳米发电机、可拉伸叉指电极超级电容器阵列和基于褶皱形貌石墨烯电极的力学传感器；

所述基于褶皱电极材料的可拉伸纳米发电机包括：作为上摩擦层的平面电极硅树脂薄膜和作为下摩擦层的褶皱电极硅树脂薄膜；所述上摩擦层和下摩擦层通过设置在边沿的弹性连接件构成连接；

所述可拉伸叉指电极超级电容器阵列包括：硅树脂薄膜柔性基底、以及固定在所述硅树脂薄膜柔性基底上的叉指结构的激光诱导石墨烯泡沫超级电容器阵列；

所述基于褶皱形貌石墨烯电极的力学传感器包括：褶皱石墨烯层和所述褶皱石墨烯表面的贵金属电极。

优选地，所述平面电极硅树脂薄膜包括平面硅树脂薄膜层和在平面硅树脂薄膜层上生长的平面电极层；所述褶皱电极硅树脂薄膜通过在预拉伸的硅树脂薄膜上生长电极层后释放预拉伸获得。

优选地，所述叉指结构的激光诱导石墨烯泡沫超级电容器阵列上设置有固态电解质。