[发明专利]一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器、制备方法及其应用

权利要求书

1.一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器由上、下两个复合电极和介电层组成，所述复合电极由复合薄膜材料(1)和纳米螺旋结构(2)组成，所述介电层为多孔材料(3)，所述复合薄膜材料(1)为氧化石墨烯溶液和丝素蛋白溶液混合并抽滤形成的表面光滑复合薄膜材料；所述复合薄膜材料(1)表面形成有纳米螺旋结构(2)，所述复合薄膜材料(1)及纳米螺旋结构(2)外表面黏附有多孔材料(3)，上、下两个电极以及介电层形成复合薄膜材料(1)-纳米螺旋结构(2)-多孔材料(3)-纳米螺旋结构(2)-复合薄膜材料(1)的多级微纳结构；

所述复合薄膜材料(1)的厚度为50-200μm，所述纳米螺旋结构(2)的孔径为500nm-2μm、螺旋结构总圈数为3-8圈、每一圈螺旋结构的宽度为200-300μm、未加工部位螺旋宽度为100-200μm、螺旋整体部分的尺寸为0.3mm*0.3mm-0.8mm*0.8mm；所述多孔材料(3)为多孔泡棉胶带、多孔海绵或陶瓷多孔材料；

所述具有互补螺旋结构柔性压力传感器由如下方法制备得到，具体步骤如下：

(1)、氧化石墨烯/丝素蛋白混合溶液的制备；

取浓度为5-10mg/mL的氧化石墨烯溶液15-30mL放入量程为100mL的烧杯中，然后逐滴加入浓度为0.05-0.2mol/L的氢氧化钠溶液2-5mL，使得氧化石墨烯溶液的PH值为7，然后加入浓度为30-60mg/mL的丝素蛋白溶液2-6mL，然后将装有氧化石墨烯/丝素蛋白混合物的烧杯放在磁力搅拌器上进行搅拌10s-1min,混合均匀后即得到氧化石墨烯/丝素蛋白混合溶液；

其中，氧化石墨烯溶液的具体合成步骤为：

首先，将石墨和硝酸钠按照质量比为1：1-1：3在0-5℃的冰浴条件下混合，随后加入质量分数为98％的浓硫酸90-100mL；然后加入5-20g高锰酸钾，在0-5℃的冰浴条件下以500-1000r/min的转速搅拌45-120min；随后升温至35℃，保持120min并加入80ml去离子水然后升温至95℃，保持15min，并加入200ml去离子水，所用注水时间分别为35min和5min；再加入10mL体积浓度为30％的过氧化氢，关闭加热并搅拌5-15min，然后关闭搅拌使其自然沉降20-30h；沉降后倒掉上清液，使用去离子水反复稀释酸性产物，以转速为8000-12000r/min离心10-20min，重复10-18次，直到上层清液的pH值为7；最后将下层产物以1000-1500r/min的转速离心10-20min，重复3-5次，直至无明显的肉眼可见的黑色石墨颗粒，然后再以8000-10000r/min的转速离心15-20min后，倒掉上层清液，摇匀后即得到浓度为5-10mg/mL的氧化石墨烯溶液；

丝素蛋白溶液的具体合成步骤为：

首先，取6-9g碳酸钠粉末加入3000-5000mL去离子水中，使用玻璃棒或者其他搅拌装置使其充分溶解，然后放置在热台或者其他加热装置中升温，使得碳酸钠溶液保持沸腾状态；然后使用剪刀或者其他剪裁工具将蚕茧外壳剪成面积为1-2cm²的丝状，使用托盘天平或者其他称重仪器称取8-12g蚕片将其放入到沸腾状态的碳酸钠溶液中，煮沸20-50min后，将其取出；然后采用相同的方法再制备一份相同浓度的沸腾的碳酸钠溶液，随后将蚕丝放入新制备的碳酸钠溶液中煮沸20-50min,取出后反复浸泡到去离子水中15-25次后，挤出水分，将其摊开在铝箔或者其他平整的基板上，放置于通风橱或者其他干燥通风处20-30h后，自然晾干得到丝素蛋白纤维；然后取2-8g干燥的丝素蛋白纤维放入烧杯中，使用胶头滴管或者其他取样工具吸取15-25mL、浓度为8-10mg/mL的溴化锂溶液，然后将混合物放置在50-80℃的真空干燥箱或者其他加热装置中加热5-8h，得到暗黄色的粘稠液体；然后将该粘稠液倒入分子量为10000-18000的透析袋中，使用夹子或者其他夹持工具将透析袋夹紧，然后将其放置在装有去离子水的烧杯中，在0-10℃下透析60-80h，每隔10h更换一次去离子水，去除溶液中的盐离子，透析完毕后，以6000-12000r/min的转速、离心15-30min后，取上清液即为浓度为30-60mg/mL的丝素蛋白溶液；

(2)、氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜的制备；

首先将微孔滤膜固定在抽滤装置上，随后用去离子水润湿滤膜，最后滴入氧化石墨烯/丝素蛋白混和溶液进行抽滤，从而成功制备氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜；

(3)、利用激光直写方法加工氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜制备互补螺旋结构还原氧化石墨烯/丝素蛋白复合电极；

对氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜进行剪裁，然后将薄膜固定在平整的基板上，同时保证薄膜表面平整，将基板放置在激光器的光学平台上，调节激光光源和基板表面的相对位置，使得激光聚焦在薄膜表面；在激光控制程序的界面处，输入预加工图形以及加工参数，然后进行激光直写，得到互补螺旋结构还原氧化石墨烯/丝素蛋白复合电极；

(4)、螺旋互补结构压力传感器的制备；

对多孔胶带进行剪裁，然后使用导电银胶将银线固定在电极上，最后将多孔胶带夹在两个互补螺旋还原氧化石墨烯/丝素蛋白复合电极之间，从而得到具有螺旋互补结构的压力传感器。