[发明专利]具有阻容双模式的水凝胶柔性应变传感器制备方法及传感器

说明书

本发明涉及水凝胶技术领域，提供了一种具有阻容双模式的水凝胶柔性应变传感器的制备方法及传感器；该传感器其由水凝胶和柔性网格电极叠层复合而成，根据接线方式的不同，兼备电阻式和电容式两种工作模式，电阻式传感由具备应变响应能力的柔性网格电极实现，电容式传感由水凝胶和柔性网格电极界面处双电层电容实现，都可用于拉伸应变的检测；本发明设计的柔性器件整体具备良好的可拉伸性，具有高的灵敏度和宽的检测范围，可以实现微小和剧烈人体运动的实时监测，能够应用于可穿戴设备、柔性机器人、电子皮肤等领域。

技术领域

本发明涉及水凝胶技术领域，特别是一种具有阻容双模式的水凝胶柔性应变传感器。

背景技术

随着现代社会智能化的发展，柔性智能可穿戴设备的研究日益增多，对具有较强的拉伸性、延展性的传感器需求快速增加。相较于传统的基于金属、半导体的柔性应变传感器，水凝胶柔性应变传感器由于其良好的可拉伸性、简单易行的制备方法得到了广泛的研究。

专利CN 112724339A公开了一种水凝胶柔性应变传感器及其制备方法，包括如下步骤：步骤一、将单体丙烯酰胺、氯化钙、酪蛋白酸钠、聚多巴胺溶液混合溶于去离子水中溶解得到混合溶液；步骤二、混合溶液中加入化学交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌后，再加入单层氧化石墨烯分散液，室温条件下搅拌得到预聚合溶液；步骤三、向预聚合溶液中加入引发剂和催化剂；步骤四、将聚合溶液注入反应模具得到水凝胶；步骤五、将水凝胶清洁并干燥，安装导电铜电极，封装成柔性应变传感器。利用聚多巴胺还原氧化石墨烯在水凝胶中构建电子导电网络，传感方式为电阻式，电极材料为导电铜电极。

专利CN 109294133A公开了一种可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器，通过一步溶胶-凝胶法制备得到具有高拉伸性的自愈合水凝胶，利用粘性胶带封装后得到多功能柔性应变传感器。利用多壁碳纳米管作为活性压电材料在水凝胶中构建电子导电网络，传感方式为电阻式，电极材料未提及。

专利CN 112212779A公开了一种水凝胶柔性应变传感器的制备方法，以氯化胆碱基低共熔溶剂为原料，结合聚乙烯醇高分子聚合物制备获得双网络水凝胶，通过添加纤维素纳米晶及石墨类氮化碳纳米片获得优异自修复特性、抗冻性以及强拉伸性的特性。其采用的是离子电导水凝胶，传感方式仍为电阻式，电极材料未提及。

目前报道的水凝胶柔性应变传感器均使用金属片、铜导线等刚性材料作为电极，无法满足施加大量复杂的动态变化的应力，在受到外力破坏作用下容易发生断裂，导致传感失灵。当柔性传感器整体拉伸时，由于刚性材料电极无法与水凝胶一同形变，电极与水凝胶界面处承受较大的应力，将给传感信号的测量带来较大的波动，金属电极(如铜线)长期使用会与水凝胶反应，被腐蚀，缩短传感器的使用寿命。这些问题限制了其在可穿戴设备中的应用。此外，目前报道的水凝胶柔性应变传感器采用的形式大部分为电阻式传感，传感形式单一，不能满足电容/电阻双模式使用的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供了一种具有阻容双模式的水凝胶柔性应变传感器制备方法及传感器，以满足柔性设备对传感器拉伸性、延展性的需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

首先，本申请提供了一种具有阻容双模式的水凝胶柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)将水凝胶单体和盐溶解于去离子水中，在室温条件下搅拌5～10min，至完全溶解后加入交联剂、引发剂，室温条件下搅拌3～5min至溶液均匀，得到水凝胶预聚液，备用；

上述水凝胶单体为丙烯酰胺，盐可以选择氯化钠、氯化锂、氯化钾中的一种或多种；所获得的预聚液中，水凝胶单体浓度为2～3mol·L^-1，盐浓度为1～3mol·L^-1；

上述交联剂优选N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂优选过硫酸铵。

上述交联剂、引发剂与水凝胶单体的质量比优选0.0006:0.0017:1；