[发明专利]一种柔性压阻传感器及其应用

说明书

本发明公开了一种柔性压阻传感器，包括PDMS薄膜以及嵌入在PDMS薄膜内的三维互连石墨烯微通道；所述三维互连石墨烯微通道的内壁上分布有贵金属纳米粒子。本发明还公开了制备方法：使用泡沫镍为牺牲模板来生长多层石墨烯，然后将PDMS嵌入生长石墨烯的泡沫镍中，再将泡沫镍溶解，形成三维互联石墨烯微孔道，与PDMS组成PDMS‑石墨烯支架，将贵金属纳米颗粒组装于石墨烯孔道内表面。本发明借助石墨烯的高导电性和贵金属纳米颗粒的对石墨烯内壁的贡献实现高灵敏度压阻传感器的构建，器件的灵敏度高和响应时间短，可以兼顾压力监测和应力监测。本发明不仅可以对人体脉搏的跳动进行实时的监测，而且也可以定向监测管道管壁的扩张。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种柔性压阻传感器及其应用。

背景技术

到目前为止，压力传感器的力-电传感机制主要包括压阻，压容，压电和新兴的摩擦电场效应晶体管放大机制。尽管已提出了许多复杂的策略来提升压力传感器的性能，但目前的许多研究仅涉及传感器性能的一个或几个方面。电容式压力传感器的制造过程易于集成，但这些传感器的低灵敏度和较长的响应时间限制了它们的应用。压电传感器的响应速度很快，但依赖于特定的压电材料，例如聚偏二氟乙烯（PVDF）或氧化锌，并且相对于其他传感器而言灵敏度较低。大多数传统的摩擦式晶体管传感器都具有出色的输入和读出功能，但它们是基于硅衬底的制造并且专注于单模压力检测，这使其不适用于可穿戴设备和智能机器人，而且刚性基材上的传感器不能用于测量应力拉伸，这限制了它们在仿生皮肤中的应用。

与上述压力传感器相比，压阻传感器的活性材料更加丰富和灵活，并且在外力作用下的电阻变化更加敏感，这使这些传感器具有广阔的应用前景。由于难以制备具有压阻特性的微纳米材料，因此它们的合成和制造面临着巨大的挑战。制备的活性层的特性在一个批次内会发生变化，并且不同批次的材料的微观结构和功能也会有很大的变化。即使是简单设计的压阻传感器也尚未在实践中成功应用。因此，设计和制造具有确定结构的微结构和压阻特性的柔性感知材料以用于压力检测和应力感测的设计和制造方法是研究仿生压阻传感器发展的重要问题。

将柔性聚合物作为基材，石墨烯及其衍生物作为导电材料的压阻式传感器，可以克服刚性基板压力传感器的缺点。含有石墨烯的柔性复合材料被认为是下一代可穿戴传感器最有前途的传感材料。作为一种典型的二维材料，石墨烯具有高比表面积、高拉伸强度和优异的导电性。石墨烯的制备方法适合大规模生产，包括机械和化学剥离法，石墨氧化-还原法，化学气相沉积(CVD)和高温化学合成法。申请号为：201910764974 .X公开了“一种双模式传感器及其在检测压力和应变过程中的应用”，包括压电层和压阻层；压电层由具有微结构的压电复合薄膜，以及喷涂在复合薄膜上金电极构成；压阻层由喷涂在具有微结构的金电极表面的石墨烯薄膜和喷涂在具有微结构的PDMS表面的石墨烯薄膜构成。该专利是将压电层与压阻层复合，得到具有能够感知压力与应变的传感器，并不是一种结构能够既能感知压力又能感知应变；并且压阻层使用的是石墨烯薄膜，不具有三维立体结构、结构单一，对应变的感知不敏感。所以，现在需要一种柔性压阻传感器，并不是简单的将压电层和压阻层复合，而是一种结构同时具有两种功能，并且对压力和应变的灵敏度都很高，响应时间短，能够在柔性传感器领域有更广泛的应用。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种用于智能检测压力和应变的柔性压阻传感器。本发明将贵金属（银、金、铂）纳米颗粒自组装在三维互连石墨烯微通道嵌入PDMS薄膜用于超灵敏压力和应变传感器的构建。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种柔性压阻传感器，包括PDMS薄膜以及嵌入在PDMS薄膜内的三维互连石墨烯微通道；所述三维互连石墨烯微通道的内壁上分布有贵金属纳米粒子。

优选的，所述贵金属纳米粒子选自银纳米粒子、金纳米粒子或铂纳米粒子。

本发明的第二方面，提供上述柔性压阻传感器的制备方法，包括以下步骤：