[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

说明书

本发明公开了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，属于激光微纳加工技术领域；利用激光对氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜表面进行加工，激光的光热效应可以去除氧化石墨烯中的含氧官能团，使得氧化石墨烯被还原的同时形成螺旋结构电极；在一对互补螺旋结构电极之间夹上多孔胶带后，得到具有互补螺旋结构的高性能柔性压力传感器，可以实现对手指弯曲和手指接近的双重模式的检测，胶带的多孔结构有助于传感器在弯曲时电容发生较大变化，可以实现对手指弯曲的精确检测。同时电极的螺旋结构增加了电极的边缘区域面积，有助于从电极板区域向外空间扩展更多的电场，实现对手指接近的灵敏检测。

技术领域

本发明属于激光微纳加工技术领域，具体涉及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。

背景技术

柔性电容式压力传感器在电子皮肤、人机交互和可穿戴健康检测等尖端应用领域具有广阔的应用前景。电容式压力传感器的创新主要依靠于新型电极材料和结构。石墨烯因其优异的导电性、柔韧性和机械强度而成为各种柔性电子器件中常用的电极材料。传统的制作石墨烯电极的方法如化学剥离法、化学气相沉积法、分散黏附法等制备出的石墨烯电极往往需要附着在特殊的衬底上，或多或少的降低了其灵活性，从而降低了传感器的性能。

此外，石墨烯电极的任意图案化也是限制电容式压力传感器性能优化的技术挑战，目前人们采用的高温还原、化学还原、喷墨还原等只能实现一些简单的图案化还原，同时也存在分辨率低、还原速度较慢等问题。此外，电极的延展性以及机械强度也极大地限制了石墨烯电极在柔性电容式压力传感器方面的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是：利用激光加工制备具有互补螺旋电极结构的柔性压力传感器。利用激光直写技术作用在抽滤成膜的氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜表面，激光的光热效应可以去除氧化石墨烯中的含氧官能团，使得氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜中的氧化石墨烯被还原并形成螺旋结构电极，氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜优异的柔韧性和延展性使激光还原后的还原氧化石墨烯/丝素蛋白复合电极具有优异的机械性能；再在一对互补螺旋结构电极之间夹上多孔的胶带，最终得到了具有互补螺旋结构的高性能柔性压力传感器，可以实现对手指弯曲以及手指接近时的两种模式的超灵敏检测。传感器的主要检测原理为：(1)对于接触检测而言，由平行板电容器公式(其中ε₀为真空介电常数、ε_r为介质层介电常数、A为两个平行板电极之间的相对面积、d为两个平行板电极之间的相对距离)可知，当物体对传感器施加压力时，多孔胶带被压缩使其上下极板间的相对距离d变小，同时多孔胶带中介电常数相对较小的空气被挤出，使得介质的介电常数ε_r变大，二者共同作用使得在一定压力下，传感器的电容值发生较大变化，具有较高的灵敏度；(2)对于非接触检测而言，由于平行板电容器的边缘电场效应，在边缘区域电场线会扩展到外部空间，对于环盘结构电极的传感器而言，当手指接近时，手指会截取上电极上方的边缘电场线，从而降低上下电极之间的电场强度，最终导致电容减小。而螺旋互补结构的石墨烯电极，其界面上的电极结构可以看成是多个环盘结构电极的叠加，增加了电极的边缘区域面积，有助于从电极板区域向外空间扩展更多的电场。因而当手指靠近时，传感器显示了巨大的电容变化，对手指的接近更为敏感。

本发明通过如下技术方案实现：

一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器，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。

所述纳米螺旋结构2由激光加工对复合薄膜材料1进行图案化还原时，复合薄膜中含氧官能团被去除时同时形成螺旋图案化以及纳米孔结构；