CN111504519B - 一种柔性电缆型触觉传感器 - Google Patents
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- CN111504519B CN111504519B CN202010310828.2A CN202010310828A CN111504519B CN 111504519 B CN111504519 B CN 111504519B CN 202010310828 A CN202010310828 A CN 202010310828A CN 111504519 B CN111504519 B CN 111504519B
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Abstract
本发明提供了一种柔性电缆型触觉传感器，包括呈管状由内至外依次一体设置的泡沫内电极层、泡沫电解质层、泡沫外电极层，所述泡沫电解质层由包括溶剂、高分子材料、酯类、离子载体和细菌纤维素的混合物经过发泡制得，五者的质量比为(25‑30):(3‑4):(4‑6):(1‑2):(0.4‑0.6)，所述泡沫内电极层和泡沫外电极层的材质相同，由包括溶剂、高分子材料、酯类、导电材料和细菌纤维素的混合物经过发泡制得，五者的质量比为(25‑30):(3‑4):(4‑6):(3‑4):(0.4‑0.6)。本发明所述的柔性电缆型触觉传感器可以做成空心结构包覆于微丝或微导管上，应用于风速风向检测和各种液体流速监测等；亦可做成实心结构并将多根该传感器编织成布状或网状，应用于手套、衣服等穿戴式设备或者灵巧手等机器人上。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其是涉及一种柔性电缆型触觉传感器。
背景技术
近些年，触觉传感器的柔性化发展使得在不干扰或限制佩戴传感器的人的运动的情况下，实时准确地感知个人生理信号和活动信息，如心跳脉搏和运动压力等，使其在电子皮肤、人机界面、柔性触摸显示和智能机器人等领域具有巨大的潜在应用价值，而备受广泛关注。然而，现有的触觉传感器结构都是平面形式的，实际使用过程中会受到应用场景的几何形状限制，不能根据使用环境进行灵活地调整。比如，放在流体内部随流体摆动检测风向风速或流体流速，亦或编织出具有孔隙结构透气功能的布状或网状传感器件，更好地贴附人体皮肤使用等。因此，研发出新型的电缆型触觉传感器，便具有重要的实际应用意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种柔性电缆型触觉传感器，具有电极和电解质结构一体式和力学性能柔性、可拉伸等优点，且其结构、尺寸、大小和长度等参数可调控，以满足不同应用场景的具体应用需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种柔性电缆型触觉传感器，包括呈管状由内至外依次一体设置的泡沫内电极层、泡沫电解质层、泡沫外电极层，所述泡沫电解质层由包括溶剂、高分子材料、酯类、离子载体和细菌纤维素的混合物经过发泡制得，五者的质量比为(25-30):(3-4):(4-6):(1-2):(0.4-0.6)，所述泡沫内电极层和泡沫外电极层的材质相同，由包括溶剂、高分子材料、酯类、导电材料和细菌纤维素的混合物经过发泡制得，五者的质量比为(25-30):(3-4):(4-6):(3-4):(0.4-0.6)。
所述细菌纤维素是是由微生物发酵合成的多孔性网状纳米级生物高分子聚合物，可以增强电极与电解质的抗拉伸性能，其原理为：细菌纤维素与聚乙烯醇之间氢键形成了双网结构，可以以最快的速度传递应力。
优选地，所述溶剂为水或离子液体，其中，所述离子液体为在室温或接近室温下呈现液态的且完全由有机阳离子与无机或有机阴离子组成盐，阳离子包括但不限于季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子、吡咯盐离子，阴离子包括但不限于卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子。
优选地，所述高分子材料包括但不限于聚乙烯醇(PVA)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)或聚苯乙烯(EPS)。
优选地，所述酯类包括但不限于碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸乙二酯(DEC)中一种或两种以上的混合物。
优选地，所述离子载体为酸、碱、盐中一种或两种以上的混合物，优选为硫酸、磷酸、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸钠、碳酸氢钠中一种或两种以上的混合物。
优选地，所述导电材料为金属、碳或导电聚合物，包括但不限于铜、铝、金、银、镍、石墨、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、MXene、聚吡咯、聚噻吩中的一种或两种以上的复合物。
本发明还提供上述柔性电缆型触觉传感器的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)泡沫内电极层的制备
将水、细菌纤维素和高分子材料混合后加入离子载体在80-100℃条件下加热1-2小时，待高分子材料完全溶解，然后降温至75℃，加入乳化剂和酯类，搅拌反应2.5小时，再加入导电材料，搅拌至均匀状态，再降温至35℃，加入发泡剂快速搅拌均匀，倒入模具中，放入冷冻机中冷冻至凝固作为泡沫内电极层；
(2)泡沫电解质层的制备
将水、细菌纤维素和高分子材料混合后加入离子载体在80-100℃条件下加热1-2小时，待高分子材料完全溶解，然后降温至75℃，加入乳化剂和酯类，搅拌均匀状态，再降温至35℃，加入发泡剂快速搅拌均匀，倒入模具中，放入冷冻机中冷冻至凝固作为泡沫电解质层；
(3)泡沫外电极层的制备
将水、细菌纤维素和高分子材料混合后加入离子载体在80-100℃条件下加热1-2小时，待高分子材料完全溶解，然后降温至75℃，加入乳化剂和酯类，搅拌反应2.5小时，再加入导电材料，搅拌至均匀状态，再降温至35℃，加入发泡剂快速搅拌均匀，倒入模具中作为泡沫外电极层，整体放入冷冻机中冷冻7小时，融化3小时，反复进行三个循环后得到带有孔状的一体式柔性电缆型触觉传感器；
(4)传感器的接线
在泡沫内电极层和泡沫外电极层分别连接上导电引线，实现传感器与外界电气相连。
优选地，所述制备方法中使用的模具，所述的模具包括底座和多个同心且可拆卸固定于底座上的筒状模具，所述模具底座上设有多个与用于固定筒状模具的环形凹槽，所述环形凹槽的中心处设置有模具支撑。该模具是由具有抗冻能力的尼龙经过3D打印工艺制得。
本发明传感器的基本工作原理：
如图4和图5所示，泡沫内、外电极层与泡沫电解质层三部分组成一种柔性电缆型触觉传感器，当有压力施加于传感器上时，传感器的网孔状泡沫外电极层、泡沫内电极层、泡沫电解质层均会在压力的作用下发生变形，从而导致泡沫电解质层与电极的接触面积变大，距离减小，引起电容的增加；当压力消失时，网孔状泡沫内、外电极层和泡沫电解质层又会恢复原状，电容也会恢复原值。电容的变化可以转变为电信号传输给后续处理电路，从而监测到力的大小。
泡沫内电极层、泡沫外电极层与泡沫电解质层形成电极或电解质界面，当泡沫内、外电极层与泡沫电解质层的两面接触时，在外界电源的作用下，电极的内部表面电荷会从电解质中吸附离子，这些离子在电极或电解质界面的电解质一侧形成一个电荷数量与电极内表面荷电电荷数量相等，且符号与其相反的界面层，由于电极或电解质界面上存在着电位差，使得两层电荷都不能越界而彼此中和，因此形成结构稳定的超级电容。
由高分子材料、细菌纤维素、酯类和导电物质(如石墨烯、MXene、CNT等)组成的混合物经过发泡、冷冻成为泡沫内外电极层，将电解质(如磷酸、氢氧化钠、碳酸钠溶液)与高分子材料、酯类混合，然后发泡，冷冻后制备网孔状泡沫电解质层，然后将泡沫内、外电极层与泡沫电解质层一起冷冻，便结合为一个整体。将做好的传感器连接到电容测量电路，实现压力映射。本发明中三部分的工艺均是冷冻后获得，制作工艺简单快捷。
相对于现有技术，本发明所述的柔性电缆型触觉传感器具有以下优势：
(1)本发明创造所述的传感器应用范围广。该一种柔性电缆型触觉传感器可以做成空心结构亦可做成实心结构，可应用于各种液体的流速监测，可以应用于手套、衣服等穿戴式设备中。
(2)本发明创造所述的传感器拉伸率高。该一种柔性电缆型触觉传感器的电极、电解质层的拉伸率均可大于300％，可以监测更大变形的运动，从而提高了该传感器的适用范围。
(3)本发明创造所述的传感器结合性好、无间隙。该柔性电缆型触觉传感器的电极、电解质层均是泡沫状结构、高分子材质，在制作过程中一次成型，各层之间不存在间隙，不需要使用外力使之结合。
(4)本发明创造所述的传感器制作流程简易，尺寸可灵活调整。该一种柔性电缆型触觉传感器三部分的制作均是冻融后得到，无需其它特殊的生产要求，该传感器直径可以根据使用环境进行调整，长短直接裁剪即可，在裁剪过程中，不会破坏传感器结构，影响使用。
附图说明
图1a为本发明空心传感器的整体示意图；图1b为本发明实心传感器的整体示意图；
图2a为本发明空心传感器的截面结构示意图；图2b为本发明实心传感器的截面结构示意图；
图3a为本发明空心传感器制作的模具示意图；图3b为本发明实心传感器制作的模具示意图；
图4a为本发明空心传感器的压缩前的原理示意图；图4b为本发明实心传感器的压缩前的原理示意图；图5a为本发明空心传感器的压缩后的原理示意图；图5b为本发明实心传感器的压缩后的原理示意图；
图6为本发明传感器在不同压强下电容值。
图中：1、泡沫外电极层；2、泡沫电解质层；3、泡沫内电极层；21、模具底座；22、模具外筒；23、模具中筒；24、模具内筒；25、模具支撑；26、环形凹槽。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
本发明实施例中使用的细菌纤维素均购买于北京观澜科技有限公司，粒径为70-150微米、100目。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
实施例1
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的一种空心柔性电缆型触觉传感器，用于监测液体流速，如图1和图2所示，该传感器由外至内依次包括泡沫外电极层1、泡沫中电介质层2、泡沫内电极层3，泡沫电解质层与内、外泡沫电极层组成传感器。
本实施例所做的传感器为泡沫状、一体式、三层结构经过冷冻后一次成型，整体长10mm，管的直径为2mm，泡沫内电极层3厚1mm，泡沫电解质层2厚2mm，泡沫外电极层1厚1mm；电极层为网孔状泡沫结构，由导电材料石墨烯与碳酸钙、PVA、碳酸二甲酯按照一定比例混合，然后发泡，冷冻后得到；电解质层为网孔状泡沫状结构，由电解质碳酸钙与PVA、碳酸二甲酯混合，然后发泡，冷冻后得到。
本实施例基于超级电容传感原理的一种柔性电缆型触觉传感器的制作过程是：
1.泡沫内电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.27％的碳酸钙，加入占溶液总质量11.33％的石墨烯，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.66％的OP-10，溶液总质量6.80％的碳酸二甲酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.66％的正戊烷剧烈搅拌，，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫内电极层。
2.泡沫离子凝胶层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.55％的碳酸钙，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.39％的OP-10，溶液总质量7.66％的碳酸二甲酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量6.39％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫电解质层。
3.泡沫外电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.27％的碳酸钙，加入占溶液总质量11.33％的石墨烯，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.66％的OP-10，溶液总质量6.80％的碳酸二甲酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.66％的正戊烷剧烈搅拌，，倒入模具中作为泡沫外电极层，整体放入-40℃的冷冻机中冷冻7小时，融化3小时，反复进行三个循环后得到带有孔状的一体式柔性电缆型触觉传感器。
实施例2
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的一种空心柔性电缆型触觉传感器，用于监测液体流速，如图1和图2所示，该传感器由外至内依次包括泡沫外电极层1、泡沫中电介质层2、泡沫内电极层3，泡沫电解质层与内、外泡沫电极层组成传感器。
本实施例所做的传感器为泡沫状、一体式、三层结构经过冷冻后一次成型，整体长10mm，管的直径为2mm，泡沫内电极层3厚1mm，泡沫电解质层2厚2mm，泡沫外电极层1厚1mm；电极层为网孔状泡沫结构，由导电材料石墨与碳酸钙、PVA、碳酸二甲酯按照一定比例混合，然后发泡，冷冻后得到；电解质层为网孔状泡沫状结构，由电解质碳酸钙与PVA、碳酸二甲酯混合，然后发泡，冷冻后得到。
本实施例基于超级电容传感原理的一种空心柔性电缆型触觉传感器的制作过程是：
1.泡沫内电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.27％的碳酸钙，加入占溶液总质量11.33％的石墨，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.66％的OP-10，溶液总质量6.80％的碳酸二甲酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.66％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫内电极层。
2.泡沫离子凝胶层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.55％的碳酸钙，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.39％的OP-10，溶液总质量7.66％的碳酸二甲酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量6.39％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫电解质层。
3.泡沫外电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.27％的碳酸钙，加入占溶液总质量11.33％的石墨，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.66％的OP-10，溶液总质量6.80％的碳酸二甲酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.66％的正戊烷剧烈搅拌，，倒入模具中作为泡沫外电极层，整体放入-40℃的冷冻机中冷冻7小时，融化3小时，反复进行三个循环后得到带有孔状的一体式电缆型可拉伸触觉传感器。
实施例3
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的一种空心柔性电缆型触觉传感器，用于监测液体流速，如图1和图2所示，该传感器由外至内依次包括泡沫外电极层1、泡沫中电介质层2、泡沫内电极层3，泡沫电解质层与内、外泡沫电极层组成传感器。
本实施例所做的传感器为泡沫状、一体式、三层结构经过冷冻后一次成型，整体长10mm，管的直径为2mm，泡沫内电极层3厚1mm，泡沫电解质层2厚2mm，泡沫外电极层1厚1mm；电极层为网孔状泡沫结构，由导电材料石墨烯与碳酸钙、PVA、碳酸二甲酯按照一定比例混合，然后发泡，冷冻后得到；电解质层为网孔状泡沫状结构，由电解质氢氧化钠、碳酸氢钠与PVA、碳酸二甲酯混合，然后发泡，冷冻后得到。
本实施例基于超级电容传感原理的一种空心柔性电缆型触觉传感器的制作过程是：
1.泡沫内电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.27％的碳酸钙，加入占溶液总质量11.33％的石墨烯，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.66％的OP-10，溶液总质量6.80％的碳酸二甲酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.66％的正戊烷剧烈搅拌，，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫内电极层。
2.泡沫离子凝胶层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.55％的氢氧化钠、碳酸氢钠(1:1)，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.39％的OP-10，溶液总质量7.66％的碳酸二甲酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量6.39％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫电解质层。
3.泡沫外电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.27％的碳酸钙，加入占溶液总质量11.33％的石墨烯，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.66％的OP-10，溶液总质量6.80％的碳酸二甲酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.66％的正戊烷剧烈搅拌，，倒入模具中作为泡沫外电极层，整体放入-40℃的冷冻机中冷冻7小时，融化3小时，反复进行三个循环后得到带有孔状的一体式电缆型可拉伸触觉传感器。
实施例4
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的一种空心柔性电缆型触觉传感器，用于监测液体流速，如图1和图2所示，该传感器由外至内依次包括泡沫外电极层1、泡沫中电介质层2、泡沫内电极层3，泡沫电解质层与内、外泡沫电极层组成传感器。
本实施例所做的传感器为泡沫状、一体式、三层结构经过冷冻后一次成型，整体长10mm，管的直径为2mm，泡沫内电极层3厚1mm，泡沫电解质层2厚2mm，泡沫外电极层1厚1mm；电极层为网孔状泡沫结构，由导电材料石墨烯与碳酸钙、PVA、碳酸乙烯酯按照一定比例混合，然后发泡，冷冻后得到；电解质层为网孔状泡沫状结构，由电解质碳酸钙与PVA、碳酸乙烯酯混合，然后发泡，冷冻后得到。
本实施例基于超级电容传感原理的一种空心柔性电缆型触觉传感器的制作过程是：
1.泡沫内电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.27％的碳酸钙，加入占溶液总质量11.33％的石墨烯，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.66％的OP-10，溶液总质量6.80％的碳酸乙烯酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.66％的正戊烷剧烈搅拌，，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫内电极层。
2.泡沫离子凝胶层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.55％的碳酸钙，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.39％的OP-10，溶液总质量7.66％的碳酸乙烯酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量6.39％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫电解质层。
3.泡沫外电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.27％的碳酸钙，加入占溶液总质量11.33％的石墨烯，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.66％的OP-10，溶液总质量6.80％的碳酸乙烯酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.66％的正戊烷剧烈搅拌，，倒入模具中作为泡沫外电极层，整体放入-40℃的冷冻机中冷冻7小时，融化3小时，反复进行三个循环后得到带有孔状的一体式电缆型可拉伸触觉传感器。
实施例5
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的一种空心柔性电缆型触觉传感器，用于监测液体流速，如图1和图2所示，该传感器由外至内依次包括泡沫外电极层1、泡沫中电介质层2、泡沫内电极层3，泡沫电解质层与内、外泡沫电极层组成传感器。
本实施例所做的传感器为泡沫状、一体式、三层结构经过冷冻后一次成型，整体长10mm，管的直径为2mm，泡沫内电极层3厚1mm，泡沫电解质层2厚2mm，泡沫外电极层1厚1mm；电极层为网孔状泡沫结构，由导电材料石墨烯与碳酸钙、PVA、碳酸二甲酯按照一定比例混合，然后发泡，冷冻后得到；电解质层为网孔状泡沫状结构，由电解质碳酸钙与PVA、碳酸二甲酯混合，然后发泡，冷冻后得到。
本实施例基于超级电容传感原理的一种空心柔性电缆型触觉传感器的制作过程是：
1.泡沫内电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.14％的碳酸钙，加入占溶液总质量16.08％的石墨烯，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.36％的OP-10，溶液总质量6.43％的碳酸二甲酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.36％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫内电极层。
2.泡沫离子凝胶层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.55％的碳酸钙，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.39％的OP-10，溶液总质量7.66％的碳酸二甲搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量6.39％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫电解质层。
3.泡沫外电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.14％的碳酸钙，加入占溶液总质量16.08％的石墨烯，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.36％的OP-10，溶液总质量6.43％的碳酸二甲酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.36％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中作为泡沫外电极层，整体放入-40℃的冷冻机中冷冻7小时，融化3小时，反复进行三个循环后得到带有孔状的一体式电缆型可拉伸触觉传感器。如图3所示，本实施例中使用的模具包括底座和三个同心且可拆卸设置于模具底座21上的筒状模具，分别为模具外筒22、模具中筒23、模具内筒24，模具底座21上设置有多个与用于固定模具圆筒的环形凹槽26，环形凹槽26的中心处设置有模具支撑25。该模具是由具有抗冻能力的尼龙经过3D打印工艺制得。
实施例6
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的一种实心柔性电缆型触觉传感器，用于监测液体流速，如图1和图2所示，该传感器由外至内依次包括泡沫外电极层1、泡沫中电介质层2、泡沫内电极层3，泡沫电解质层与内、外泡沫电极层组成传感器。
本实施例所做的传感器为泡沫状、一体式、三层结构经过冷冻后一次成型，整体长10mm，管的直径为2mm，泡沫内电极层3厚1mm，泡沫电解质层2厚2mm，泡沫外电极层1厚1mm；电极层为网孔状泡沫结构，由导电材料石墨烯与碳酸钙、PVA、碳酸乙烯酯按照一定比例混合，然后发泡，冷冻后得到；电解质层为网孔状泡沫状结构，由电解质碳酸钙与PVA、碳酸乙烯酯混合，然后发泡，冷冻后得到。
本实施例基于超级电容传感原理的一种实心柔性电缆型触觉传感器的制作过程是：
1.泡沫内电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.27％的碳酸钙，加入占溶液总质量11.33％的石墨烯，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.66％的OP-10，溶液总质量6.80％的碳酸乙烯酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.66％的正戊烷剧烈搅拌，，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫内电极层。
2.泡沫离子凝胶层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.55％的碳酸钙，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.39％的OP-10，溶液总质量7.66％的碳酸乙烯酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量6.39％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为泡沫电解质层。
3.泡沫外电极层的制作
按照H2O:PVA:细菌纤维素为5:1:0.3的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.27％的碳酸钙，加入占溶液总质量11.33％的石墨烯，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量5.66％的OP-10，溶液总质量6.80％的碳酸乙烯酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量5.66％的正戊烷剧烈搅拌，，倒入模具中作为泡沫外电极层，整体放入-40℃的冷冻机中冷冻7小时，融化3小时，反复进行三个循环后得到带有孔状的一体式电缆型可拉伸触觉传感器。
使用上述模具制备空心传感器的方法为：
将制作好的泡沫电极、电解质溶液放置于烧杯中，先将导管固定于模具支撑25上，模具内筒24固定于底座21的环形凹槽26内，将泡沫电极溶液倒入中间部位，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固形成泡沫内电极层，然后在泡沫内电极层的某处连接上导电引线；再将模具内筒24取下，将模具中筒23固定，向内注入电解质溶液，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为中泡沫电解质层，然后将模具中筒23取下，模具外筒22固定于槽内，将泡沫电解质溶液倒入其中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为外泡沫外电极层，然后在泡沫外电极层的某处连接上导电引线，然后整体放入-40℃的冷冻机中冷冻7小时，融化3小时，反复进行三个循环后得到带有孔状的一种柔性电缆型触觉传感器。
使用上述模具制备实心传感器的方法为：
将制作好的泡沫电极、电解质溶液放置于烧杯中，模具内筒24固定于底座21的环形凹槽26内，将泡沫电极溶液倒入中间部位，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固形成泡沫内电极层，然后在泡沫内电极层的某处连接上导电引线；再将模具内筒24取下，将模具中筒23固定，向内注入电解质溶液，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为中泡沫电解质层，然后将模具中筒23取下，模具外筒22固定于槽内，将泡沫电解质溶液倒入其中，放入-40℃的冷冻机中冷冻1分钟至凝固作为外泡沫外电极层，然后在泡沫外电极层的某处连接上导电引线，然后整体放入-40℃的冷冻机中冷冻7小时，融化3小时，反复进行三个循环后得到带有孔状的一种柔性电缆型触觉传感器。
将该实施例1制备的传感器导线与LCR表相连接，然后在该传感器上施加不同的压强，得到如图6所示的电容曲线。从图6可见，制备的压力传感器在不同压强下得到的电容值可以稳定、精确的反映出外界压强。在实施例1的基础上，实施例2将导电材料石墨烯换为石墨；实施例3将离子载体碳酸钙换成1:1的氢氧化钠与碳酸氢钠；实施例4将酯类碳酸二甲酯换为碳酸乙烯酯；实施例5将电极中的导电材料石墨烯比例提高4.75％，制备成柔性电缆型触觉传感器，均可以实现触觉功能，但是性能上会有存在差异。实施例2的石墨上无亲水基，使其较难与高分子结合，从而降低了拉伸性能；
实施例3、实施例4与实施例1相比，性能变化不大；实施例5的导电材料比重增加，使传感器的导电性能增加，使传感器的灵敏度得到相应提升；实施例6与实施例1相比空心结构变为实心结构，也可以实现相应监测功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性电缆型触觉传感器，其特征在于：包括呈管状由内至外依次一体设置的泡沫内电极层、泡沫电解质层、泡沫外电机层，所述泡沫电解质层由包括溶剂、高分子材料、酯类、离子载体和细菌纤维素的混合物经过发泡制得，五者的质量比为(25-30):(3-4):(4-6):(1-2):(0.4-0.6)，所述泡沫内电极层和泡沫外电极层的材质相同，由包括溶剂、高分子材料、酯类、导电材料和细菌纤维素的混合物经过发泡制得，五者的质量比为(25-30):(3-4):(4-6):(3-4):(0.4-0.6)；
所述传感器由高分子材料、细菌纤维素、酯类和导电物质组成的混合物经过发泡、冷冻成为泡沫内外电极层，将电解质与高分子材料、酯类混合，然后发泡，冷冻后制备网孔状泡沫电解质层，然后将泡沫内、外电极层与泡沫电解质层一起冷冻，便结合为一个整体。
2.根据权利要求1所述的柔性电缆型触觉传感器，其特征在于：所述溶剂为水或离子液体，其中，所述离子液体为在室温或接近室温下呈现液态的且完全由有机阳离子与无机或有机阴离子组成盐，阳离子包括季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子、吡咯盐离子，阴离子包括卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子。
3.根据权利要求1所述的柔性电缆型触觉传感器，其特征在于：所述高分子材料包括聚乙烯醇、热塑性聚氨酯弹性体或聚苯乙烯。
4.根据权利要求1所述的柔性电缆型触觉传感器，其特征在于：所述酯类包括碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸乙二酯中一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的柔性电缆型触觉传感器，其特征在于：所述离子载体为酸、碱、盐中一种或两种以上的混合物。
6.根据权利要求1所述的柔性电缆型触觉传感器，其特征在于：所述离子载体为硫酸、磷酸、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸钠、碳酸氢钠中一种或两种以上的混合物。
7.根据权利要求1所述的柔性电缆型触觉传感器，其特征在于：所述导电材料为金属、碳或导电聚合物。
8.根据权利要求1所述的柔性电缆型触觉传感器，其特征在于：所述导电材料包括铜、铝、金、银、镍、石墨、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、MXene、聚吡咯、聚噻吩中的一种或两种以上的复合物。
9.权利要求1-8任一所述的柔性电缆型触觉传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)泡沫内电极层的制备
将水、细菌纤维素和高分子材料混合后加入离子载体在80-100℃条件下加热1-2小时，待高分子材料完全溶解，然后降温至75℃，加入乳化剂和酯类，搅拌反应2.5小时，再加入导电材料，搅拌至均匀状态，再降温至35℃，加入发泡剂快速搅拌均匀，倒入模具中，放入冷冻机中冷冻至凝固作为泡沫内电极层；
(2)泡沫电解质层的制备
将水、细菌纤维素和高分子材料混合后加入离子载体在80-100℃条件下加热1-2小时，待高分子材料完全溶解，然后降温至75℃，加入乳化剂和酯类，搅拌均匀状态，再降温至35℃，加入发泡剂快速搅拌均匀，倒入模具中，放入冷冻机中冷冻至凝固作为泡沫电解质层；
(3)泡沫外电极层的制备
将水、细菌纤维素和高分子材料混合后加入离子载体在80-100℃条件下加热1-2小时，待高分子材料完全溶解，然后降温至75℃，加入乳化剂和酯类，搅拌反应2.5小时，再加入导电材料，搅拌至均匀状态，再降温至35℃，加入发泡剂快速搅拌均匀，倒入模具中作为泡沫外电极层，整体放入冷冻机中冷冻7小时，融化3小时，反复进行三个循环后得到带有孔状的一体式柔性电缆型触觉传感器；
(4)传感器的接线
在泡沫内电极层和泡沫外电极层分别连接上导电引线，实现传感器与外界电气相连。
10.根据权利要求9所述的柔性电缆型触觉传感器的制备方法，其特征在于：所述制备方法中使用的模具，所述的模具包括底座和多个同心且可拆卸固定于底座上的筒状模具，所述模具底座上设置有多个与用于固定筒状模具的环形凹槽。
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