[发明专利]一种柔性压力传感器感应元件及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种柔性压力传感器感应元件及其制备方法和应用。柔性压力传感器感应元件由具有取向排列的多级微纳米山脊结构的高分子薄膜及其表面均匀分布的导电纳米颗粒构成；其制备方法是将高分子材料通过溶剂铸造得到高分子薄膜；将高分子薄膜通过单轴拉伸处理得到具有取向排列的多级微纳米山脊结构的高分子薄膜；将拉伸处理后的高分子薄膜采用碱性溶性进行表面改性处理后，置于纳米导电颗粒分散液中进行超声处理后，干燥，即得。该感应元件的制备方法简单、便捷和高效，具有高灵敏度、宽检测范围、快速响应和良好结构稳定性等特点，可以广泛应用于柔性压阻传感器设计和制造。

技术领域

本发明涉及一种柔性压力传感器感应元件及制备方法和应用，具体涉及一种由具有取向排列的多级微纳米山脊结构的高分子薄膜和导电纳米颗粒构成的柔性压力传感器感应元件，还涉及柔性压力传感器感应元件的制备方法，属于压阻传感器技术领域。

背景技术

皮肤是人体最大的器官，具有数量庞大的复杂传感系统，能感知和传递各种外界刺激。电子皮肤是一种模仿皮肤功能且与人体密切接触的电子器件，可应用于实时生命信号监测、早期疾病检测(如帕金森综合征、中风等神经疾病)、机器人或假肢智能感知、及呼吸暂停报警。触觉感知是电子皮肤重要功能之一，包括对压力、应变、温度、剪切、弯曲、振动和滑移等刺激的响应。目前，触觉感知依据传感原理可分为压阻传感器、电容式传感器、压电式传感器。其中，压阻传感器能耗低、灵敏度高、检测范围宽，拥有简单且适合大规模制造的工艺。基于柔性材料设计和制造的压阻传感器在健康检测、运动监测、语音识别、智能假肢及机器人等新领域获得广泛研究和应用，而高性能的柔性压阻传感器还可实现声波检测、不同密度气体的区分、以及物体的微触觉操作和脉冲压力波形的实时监测。

柔性压阻传感器的原理是力致材料电阻变化。传统压阻材料(如金属，半导体)依赖于复杂的微纳加工工艺，材料往往具有较大的刚性，不适合电子皮肤应用。复合导电材料为解决上述问题提供了一种可能方法，例如在柔性聚合物中可以引入导电填料(如金属纳米线和纳米粒子、石墨烯、碳纳米管、Mxene等)，其压阻效应是基于填料间间距随应力变化而产生的电阻改变(B.Ji,Q.Zhou,J. Wu,Y.Gao,W.Wen,B.Zhou,SynergisticOptimization toward the Sensitivity and Linearity of Flexible Pressure Sensorvia Double Conductive Layer and Porous Microdome Array,ACS Appl MaterInterfaces)。但是，复合材料的导电性能和力学性能通常相互关联，即导电填料的体积比增加，不仅提高了复合材料的导电性，也增加了整体机械刚度；反之，导电填料比降低会使复合材料柔性增加，也会使传感器的线性响应范围减小(B.Ji,Q.Zhou,J.Wu,Y.Gao,W.Wen,B.Zhou, Synergistic Optimization toward the Sensitivity and Linearity ofFlexible Pressure Sensor via Double Conductive Layer and Porous MicrodomeArray,ACS Appl Mater Interfaces)。柔性压阻传感器设计的另外一种策略是结构化传感层，包括引入微纳米尺度的柱、穹顶、金字塔或分层结构等，而导电材料可以填充或涂覆于结构弹性体形成导电通路。在低压环境下，这些微观结构可以有效地实现载荷集中，导致接触面积迅速增加，并获得高灵敏度(J.Shi,L.Wang,Z.Dai,L.Zhao,M.Du,H.Li,Y.Fang,Multiscale Hierarchical Design of a Flexible Piezoresistive Pressure Sensorwith High Sensitivity and Wide Linearity Range,Small 14(27))。