[发明专利]一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器

权利要求书

1.一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器，其特征在于：包括顶层结构(1)与底层结构(2)，顶层结构(1)与底层结构(2)上下层叠布置；

顶层结构(1)包括柔性电极阵列(3)、粘合层(4)和离子凝胶阵列(5)，柔性电极阵列(3)与粘合层(4)上下层叠布置，粘合层(4)中开设通槽阵列，粘合层(4)的通槽阵列中嵌装离子凝胶阵列(5)，离子凝胶阵列(5)的上表面与柔性电极阵列(3)接触，其中离子凝胶阵列(5)中的每个离子凝胶单元完全覆盖柔性电极阵列(3)中对应的柔性电极单元；离子凝胶阵列(5)的下表面与底层结构(2)的上表面接触；

底层结构(2)包括结构化离子凝胶薄层(6)、导电层(7)、信号输出接口(8)和结构化柔性基底(9)；结构化离子凝胶薄层(6)、导电层(7)和结构化柔性基底(9)从上到下依次层叠布置，结构化离子凝胶薄层(6)、导电层(7)和结构化柔性基底(9)中均设置有凸起结构阵列，凸起结构阵列与离子凝胶阵列(5)之间相对接触布置导电层(7)与信号输出接口(8)电连接，离子凝胶阵列(5)的下表面与结构化离子凝胶薄层(6)接触；柔性电极阵列(3)、离子凝胶阵列(5)、结构化离子凝胶薄层(6)和导电层(7)构成电容式压力传感器，其中柔性电极阵列(3)和导电层(7)分别作为电容式压力传感器的两个电极板，离子凝胶阵列(5)和结构化离子凝胶薄层(6)作为电容式压力传感器的电介质层；

柔性电极阵列(3)和离子凝胶阵列(5)构成电阻式温度传感器；柔性电极阵列(3)作为电阻式温度传感器的电极，离子凝胶阵列(5)作为电阻式温度传感器的导电介质。

2.根据权利要求1所述的一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器，其特征在于：所述柔性电极阵列(3)是由多个排布成N×M阵列的柔性电极单元组成，每个电极单元结构相同，均包括电容检测电极(31)和电阻检测电极(32)，电阻检测电极(32)内放置有电容检测电极(31)，电容检测电极(31)和电阻检测电极(32)之间间隔布置。

3.根据权利要求1所述的一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器，其特征在于：所述离子凝胶阵列(5)由多个排布成N×M阵列的离子凝胶单元组成，多个离子凝胶单元均嵌装在粘合层(4)内；离子凝胶阵列(5)中各组分材料的质量比为二甲基乙酰胺DMAC：热塑性聚氨酯弹性体TPU：离子液IL＝2：1：1到3：1：1之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器，其特征在于：所述结构化离子凝胶薄层(6)中各组分材料的质量比为二甲基乙酰胺DMAC：热塑性聚氨酯弹性体TPU：离子液IL＝8：1：1至12：1：1之间。

5.根据权利要求1所述的一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器，其特征在于：所述粘合层(4)采用亚克力胶带，亚克力胶带中形成N×M网格，N×M网格内嵌装离子凝胶阵列(5)。

6.根据权利要求1所述的一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器，其特征在于：所述结构化柔性基底(9)为柔性聚合物；结构化柔性基底(9)的上表面设置为凸起结构阵列。

7.根据权利要求1所述的一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器，其特征在于：

所述顶层结构(1)通过以下方法制备而成；

首先向烧杯中加入二甲基乙酰胺DMAC作为溶剂，加入热塑性聚氨酯弹性体TPU和[EMIM][TFSi]离子液，三者的质量比为2：1：1；至少静置6个小时，等待初步溶解；在磁力搅拌机上搅拌24个小时，使三者混合均匀；将搅拌完成后的离子凝胶溶液放置于真空消泡机中消泡20分钟；将消泡后的溶液在70℃下加热10分钟，除去溶液中的水分，获得第一离子凝胶溶液；

再用激光切割机对丙烯酸胶带进行刻花，得到带有N×M网格的粘合层(4)；将所述粘合层(4)粘贴到所述柔性电路阵列(3)上；用镊子将第一离子凝胶溶液均匀滴入粘合层(4)中并填满；以60摄氏度加热10小时，获得顶部结构(1)。

8.根据权利要求1所述的一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器，其特征在于：

所述底层结构(2)通过以下方法制备而成；

首先向中加入二甲基乙酰胺DMAC作为溶剂，加入热塑性聚氨酯弹性体TPU和[EMIM][TFSi]离子液，三者的质量比为10：1：1；在磁力搅拌机上搅拌12个小时，使三者混合均匀；将搅拌完成后的离子凝胶溶液放置于真空消泡机中消泡20分钟，除去离子凝胶溶液中的气泡；将消泡后的溶液在70℃下加热10分钟，除去溶液中的水分，获得第二离子凝胶溶液；

接着，将脂肪族芳香族无规共聚酯Ecoflex的A、B胶倒入容器中并混合均匀；将混合后的Ecoflex溶液倒入模具中，在60摄氏度下加热2个小时，得到所述结构化柔性基底(9)；

再使用导电粘合剂SILY-POXY，将所述信号输出端口(8)粘结在结构化柔性基底表面；

然后使用银粉喷漆在结构化柔性基底表面均匀地喷上一层银粉，得到导电层(7)，将喷涂有导电层(7)的结构化柔性基底(9)以70摄氏度的温度加热10分钟；

最后将喷涂有导电层(7)的结构化柔性基底(9)放入Ecoflex容器(10)中并注入第二离子凝胶溶液，使第二离子凝胶完全覆盖Ecoflex结构化柔性基底上表面并取出后再以60摄氏度加热36小时，获得底层结构(2)。