[发明专利]一种基于多巴胺修饰聚吡咯导电水凝胶的高灵敏度压阻传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于多巴胺修饰聚吡咯导电水凝胶的高灵敏度压阻传感器及其制备方法，该压阻传感器的关键组成是压敏感应层，该压敏感应层采用导电水凝胶制得，尤其是所述导电水凝胶以聚丙烯酰胺链段网络为基体，以多巴胺修饰的聚吡咯纳米材料为导电相。本发明的柔性压阻传感器具有更大的柔韧性、粘附性和灵活性，能够紧密贴敷人体表面，满足形变要求，也可以减小运动伪影的影响。本发明的压阻传感器具有高灵敏度，在低压力区间(小于3kPa)高达238.9 kPa‑1，在高压力区域达到12.3kPa‑1，其总的压力敏感区间由可达到16kPa以上。本发明的柔性压阻传感器制备方法简单新颖，成本低廉，性能优越，在电子皮肤等传感领域显现出较大的潜力和优势。

技术领域

本发明属于传感器领域，涉及一种基于多巴胺修饰聚吡咯导电水凝胶的高灵敏度压阻传感器及其制备方法。

背景技术

随着科技的不断发展，市场对人工智能相关的可穿戴设备需求日益强烈，这些设备可以集成到人体上并实现各种功能，如移动计算、健康监测、活动跟踪和医疗康复、环境检测等。柔性压力传感器作为其核心组件之一，研发和应用正向着集成化和智能化的方向迅速崛起，并在检测人体生理参数方面起到非常重要的作用，例如实时监测病人动脉脉搏、测量动物输尿管的蠕动频率等。其中，柔性压阻传感器因其具有制备简单、成本低、信号采集便捷等优点，成为目前研究的热点。一般地，柔性压阻传感器主要由三个基本组成部分构成，分别是：压敏感应层、电极层以及封装层，其中压敏感应层材料是其核心部件。目前，传感材料多由柔性基底与导电填料组成的复合材料制备得到的，其中导电填料多数是由无机碳基纳米材料如碳纳米颗粒(NPs)、碳纳米管(CNT)和石墨烯组成，然而碳材料在柔性基体中存在着分散性差的特点，且价格昂贵，不适用于大规模生产。且上述导电复合材料应用于柔性电子器件时缺乏皮肤粘附性，易造成运动伪影，碳材料的引入大大降低器件的透明性，不利于时时观测运动物体。

目前大多数柔性压阻传感器的压敏感应层由一系列表面凹模具制备微凸起结构，模具多采用光刻的手段制备得到的硅片凹模。这些模具制备出来的微凸起首先接触到电极，当外界载荷不断增大，表面微凸起与电极的接触面积会通过微凸起的变形而增加，相比于平面压敏感应层，具有微凸起的压敏感应层在承受外力的过程中，接触电阻与本征电阻同时发生改变，从而有效提高器件的灵敏度。但当前这种以硅片为模具的光刻制备工艺，受单晶硅生长工艺的先之，不适用于大面积制备工艺，在生产制造困难的同时还要面临高昂的成本。

实际上，导电水凝胶以其在组织工程等领域方面的应用表明，其具有优良的生物相容性；在机械性能方面，随着双网络水凝胶及纳米复合材料增强的水凝胶等方面的发展，已经得到明显的改善；在电导率方面，由于水凝胶内部含有大量的水，易于将电子导电填料与粒子导电材料引入其中，实现优异的电学传输性能，所以导电水凝胶将成为柔性传感器的重要备选材料。而导电高分子复合材料兼具压阻特性和柔性，可成为传统无机导电填料有力的竞争对象。结构方面，丝网印刷工艺所用的工具较为简单，即不同目数的筛网，以筛网为模具，在一定的应力下压制预凝胶，并保持应力条件下凝胶，可实现具有微结构导电水凝胶基压敏感应层的制备。

综上，如果能开发出一种兼具导电性和高弹性，并具有皮肤粘附性和透明性的复合材料，同时开发一种新的工艺技术，实现低成本、简易地制备压敏感应层的表面微凸起，以上问题就可以得到解决，更进一步扩展柔性压阻传感器人机交互方面所需的多功能性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于多巴胺修饰聚吡咯导电水凝胶的高灵敏度压阻传感器及其制备方法。

一种基于多巴胺修饰聚吡咯导电水凝胶的高灵敏度压阻传感器，所述传感器包括压敏感应层，压敏感应层两侧设有电极层，器件由柔性保护层封装，所述的压敏感应层基于多巴胺修饰聚吡咯导电水凝胶制备而成，且表面具有均匀微突起，微突起的高度为15-20μm。

进一步的，所述的压敏感应层的厚度范围为800μm-1000μm，所述的导电水凝胶为杨氏模量为50kPa-55kPa的导电水凝胶材料。