[发明专利]柔性传感器及其制备方法和应用以及可穿戴设备

说明书

本发明涉及传感器领域，公开了柔性传感器及其制备方法和应用以及可穿戴设备，所述柔性传感器包括：两层柔性电极层和位于所述柔性电极层之间的纳米纤维介电层；其中，所述介电层具有网状微结构，所述柔性电极层包括纳米纤维膜和附着在所述纳米纤维膜上的纳米级导电材料；其中，所述介电层的厚度为10‑50μm；所述柔性传感器的厚度不超过80μm。本发明所述的柔性传感器具有厚度薄、灵敏度高和探测极限低的优势，能够更好的贴附在皮肤表面，同时保证良好的通气性，适用于制备可穿戴设备，可以实现对人体生理信号的精准实时监测。

技术领域

本发明涉及传感器领域，公开了一种柔性传感器，一种柔性传感器的制备方法，柔性传感器在可穿戴设备和/或人机交互领域中的应用，以及一种可穿戴设备。

背景技术

可穿戴力学传感器可以将外界的物理刺激转化电学信号，并以可视化的方式展现出来。其中，电容式压力传感器因为低响应时间、低功耗及不受温度影响等特点在生理信号检测和触觉响应系统等领域得到了广泛的应用。但是当前的电容式传感器难以在性能参数和器件整体厚度之间进行一个平衡，给实际的可穿戴应用带来了困难。KilsooLee,et.al利用粗糙的纸张表面作为模板，制备了一种基于超薄介电层的电容传感器，并且实现了“纸张键盘”的模拟应用。但是传感器自身的灵敏度和传感范围并不理想，对发生在人体皮肤表面的细微压力刺激(0-5kPa)难以做到精确的探测。此外，一些研究人员专注于研究如何获得更大的压力传感范围，但同时在器件的厚度和灵敏度上做出了牺牲。WangJian,et.al从日常食材得到灵感，以盐/糖混合颗粒作为模板，制备了一种类海带结构的介电层，组装得到了一种超大探测范围的压力传感器。但器件的整体厚度大大增加，达到了2mm，完全丧失了皮肤保型性。与此同时灵敏度也仅有同类型传感器的几十分之一，在较大的压力作用下才有清晰的电容响应。

当前电容式压力传感器被广泛应用于可穿戴设备领域，但是目前的传感器改造工艺不可避免的会在传感性能提高的同时带来器件厚度的增大。这就给器件的保型性带来了困难，在实际使用中造成各种不方便。如何在降低器件厚度的同时，保持优异的传感性能成为了一个待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的传感器较厚与敏感性差问题，提供一种柔性传感器，一种柔性传感器的制备方法，柔性传感器在可穿戴设备和/或人机交互领域中的应用，以及一种可穿戴设备，该传感器具有厚度小，灵敏度高的优点。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种柔性传感器，所述柔性传感器包括：两层柔性电极层和位于所述柔性电极层之间的纳米纤维介电层；其中，所述介电层具有网状微结构，所述柔性电极层包括纳米纤维膜和附着在所述纳米纤维膜上的纳米级导电材料；

其中，所述介电层的厚度为10-50μm；所述柔性传感器的厚度不超过80μm。

优选地，所述介电层包含图案化结构。

优选地，所述介电层中，所述图案化结构面积占介电层面积的50％以下。

优选地，所述介电层的弹性模量为720-900kPa；所述柔性电极层的弹性模量为800-1000kPa；所述介电层的弹性模量与所述柔性电极层的弹性模量之间的差值在2％以下。

在本发明中，弹性模量可以参考本领域常规的测定方法进行评价，比如可以参考GB2567-2008。

本发明第二方面提供一种柔性传感器的制备方法，该方法包括：

(1)对聚合物-I进行第一静电纺丝处理，得到纳米纤维膜；

(2)将纳米级导电材料负载到所述纳米纤维膜，得到柔性电极层；

(3)以金属片为模板，将聚合物-II进行第二静电纺丝处理，制备得到具有网状微结构的介电层；

(4)在介电层的上下分别叠放所述柔性电极层，得到柔性传感器；