CN113358247A - 压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压力‑应变双模态信号同时检测的柔性传感器及制备方法，传感器包括下封装保护层、下电极板、第一金属引线层、多孔电介质层、第二金属引线层、上电极板，以及上封装保护层。下电极板和上电极板的材料为低维纳米材料，制备器件时，电极板的低维纳米材料向下封装保护层的上表面扩散形成第一扩散层，上电极板的低维纳米材料向多孔电介质层的上表面扩散形成第二扩散层；下电极板和上电极板作为电容器结构的极板部分用于感知压力信号，同时作为应变计结构用于感知拉伸信号。本发明传感器制备方法简单，低维纳米材料的两端嵌入上下方的弹性体，使上下层形成有效的衔接，无需后期额外的组装粘合。

Description

压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性传感器，具体涉及一种基于低维纳米材料的压力-应变双模柔性传感器及其制备方法。
背景技术
可穿戴电子设备因其在人体运动监控，人工智能设备和生物电子学中的巨大潜力而受到广泛关注。近年来，随着金属纳米线，碳纳米管，石墨烯，炭黑，MXene等低维纳米材料的发展，在具有高灵敏度或高拉伸性的柔性传感器方面取得了重大进展。
柔性应变或压力传感器的传感机理是基于传感器在受到拉伸/压力作用时，传感器的柔性基底发生拉伸/压缩形变，附着在柔性基底上的敏感层结构尺寸随柔性基底发生形变，进而实现敏感层结构的电学输出信号随应变发生变化，其变化量与形变的大小有关。但是，大多数报道的可穿戴传感器***通常设计用于单模测量，即只能检测一个外界参数，不能实现来自于人体运动时的多模（多参数）激励状态区分。少数具备多模态监测的柔性传感器，通常基于单一传感机理。例如，传感器以相反的电阻响应来响应切向拉力和法向压力。正常压力会导致电阻值减小，而切向拉伸力会导致电阻值增大。通过将电阻时间曲线的形状与给定的刺激相关联，可以区分诸如弯曲，拉伸和压缩等激励。但当同时存在两个不同的激励信号，如切向拉力和法向压力同时作用时，这类传感器并不能很好的对激励信号作出分辨识别。因此，可穿戴电子设备如何实现对人体运动时不同部位运动状态检测，并完成这对不同部位运动状态的特征分析与健康监测是一个研究难点。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器，解决人体不同部位应变与压力信号解耦问题；同时提供该传感器的材料与结构制备方法，简单易行。
技术方案：一种压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器，包括由下至上依次设置的下封装保护层、下电极板、第一金属引线层、多孔电介质层、第二金属引线层、上电极板，以及上封装保护层；其中，所述下电极板和上电极板的材料为低维纳米材料，制备器件时，所述下电极板的低维纳米材料向所述下封装保护层的上表面扩散形成第一扩散层，所述上电极板的低维纳米材料向所述多孔电介质层的上表面扩散形成第二扩散层，所述低维纳米材料在所述第一扩散层和第二扩散层内部形成导电通道；所述下电极板和上电极板作为电容器结构的极板部分用于感知压力信号，同时作为应变计结构用于感知拉伸信号。
进一步的，所述下封装保护层、上封装保护层的材料为绝缘弹性聚合物。
进一步的，所述多孔电介质层采高介电常数的有机柔性材料。
进一步的，所述低维纳米材料为碳纳米管或银纳米线；所述下电极板中，碳纳米管或银纳米线的前端嵌入下封装保护层中，部分碳纳米管或银纳米线的末端嵌入多孔电介质层中，部分碳纳米管或银纳米线未嵌入所述多孔电介质层的末端在平面构成导电通路；所述上电极板中，碳纳米管或银纳米线的前端嵌入多孔电介质层中，部分碳纳米管或银纳米线的末端嵌入上封装保护层中，部分碳纳米管或银纳米线未嵌入所述上封装保护层的末端在平面构成导电通路。
进一步的，所述下封装保护层采用浇筑法制备，在半固化的下封装保护层上表面刷涂低维纳米材料后加热固化，形成所述下电极板以及第一扩散层。
进一步的，所述多孔电介质层采用浇筑法制备，并在半固化的多孔电介质层上表面刷涂低维纳米材料后加热固化，形成所述上电极板以及第二扩散层。
一种压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将绝缘弹性聚合物原料搅拌均匀后浇筑在模板中，制备下封装保护层；待下封装保护层半固化后，在下封装保护层的上表面刷涂低维纳米材料，低维纳米材料向所述下封装保护层的上表面扩散形成第一扩散层，然后采用烘箱加热固化，形成下电极板；
步骤2：在下电极板的上表面两端粘贴金属引线层，用于引出电极导线；
步骤3：在下电极板与金属引线层上均匀排布细铜丝并浇筑绝缘弹性聚合物，作为多孔电介质层，然后在半固化的多孔电介质层的上表面两端粘贴第二金属引线层，并刷涂低维纳米材料，低维纳米材料向所述多孔电介质层的上表面扩散形成第二扩散层，然后采用烘箱加热固化，形成上电极板；
步骤4：在上电极板的表面浇筑绝缘弹性聚合物，加热固化后形成上封装保护层；
步骤5：去除模板，并将用作模具的细铜丝抽离，形成孔隙，完成器件制备。
有益效果：与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：第一，该双模态集成式柔性传感器采用电容式和电阻式两种不同的传感机理，分别用于感知压力和拉伸应变的激励且彼此间不相互影响，以满足应变与压力信号的同时检测，可实现人体运动中关节处压力刺激与拉伸刺激的解耦。该传感器根据人体不同部位的运动特征同时输出的电阻与电容信号，可以进行人工智能算法识别，实现对人体不同部位运动的判断检测。
第二，提出一体式浇筑工艺实现传感器制备，不仅工艺流程简单，而且通过在半固化时刷涂低维纳米材料，可以实现使其两端嵌入上下方的弹性体，达到上下层形成有效的衔接形成一体式传感器结构，无需后期额外的组装粘合，使得传感器的机械特性得到保证，可以提高传感器的重复性与可靠性高。第三，采用细铜丝作为模具浇筑后抽离形成可控大小的多孔结构，提高电容传感器对压力的灵敏度，减少拉伸应变对电容变化的影响，并优化传感器的回滞特性，且不会影响一体式浇筑流程。现有技术多采用发泡方式制备多孔介质层，孔隙大小不可控，且需使用粘合剂与上下电极板装配在一起，影响器件使用寿命。
此外，采用CDC芯片和ADC芯片分别采集所设计的双模态传感器的电容和电阻，并转化为数字信号。将所采集的数据输送至MCU进行运算处理并通过蓝牙或5G模块传输至接收端，接收端的MCU将所接受到的数据进行处理，对对应的伺服电机进行控制，可实现远程控制方案。
附图说明
图1为本发明柔性传感器的结构示意图；
图2为本发明柔性传感器制备方法步骤一的结构剖视图制备流程图；
图3为本发明柔性传感器制备方法步骤二的结构剖视图制备流程图；
图4为本发明柔性传感器中低维纳米材料一端嵌入弹性体的SEM图像；
图5为本发明柔性传感器制备方法步骤三的结构剖视图制备流程图；
图6为本发明柔性传感器制备方法步骤四的结构剖视图制备流程图；
图7为本发明柔性传感器制备方法步骤五的结构剖视图制备流程图；
图8为本发明柔性传感器制备方法步骤六的结构剖视图制备流程图；
图9为本发明柔性传感器制备方法步骤七的结构剖视图制备流程图；
图10为本发明实例中远程控制方案框架图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器，包括由下至上依次设置的下封装保护层1、下电极板2、第一金属引线层3、多孔电介质层4、第二金属引线层6、上电极板7，以及上封装保护层8。其中，下电极板2和上电极板7的材料为低维纳米材料，制备器件时，下电极板2的低维纳米材料向下封装保护层1的上表面扩散形成第一扩散层，上电极板7的低维纳米材料向多孔电介质层4的上表面扩散形成第二扩散层，低维纳米材料在第一扩散层和第二扩散层内部形成导电通道。下电极板2和上电极板7作为电容器结构的极板部分用于感知压力信号，同时作为应变计结构用于感知拉伸信号。
其中，下封装保护层1、上封装保护层8的材料为绝缘弹性聚合物；多孔电介质层4采高介电常数的有机柔性材料。低维纳米材料为碳纳米管或银纳米线；下电极板2中，碳纳米管或银纳米线的前端嵌入下封装保护层1中，部分碳纳米管或银纳米线的末端嵌入多孔电介质层4中，部分碳纳米管或银纳米线未嵌入多孔电介质层4的末端在平面交叠构成导电通路，如图4所示；上电极板7中，碳纳米管或银纳米线的前端嵌入多孔电介质层4中，部分碳纳米管或银纳米线的末端嵌入上封装保护层8中，部分碳纳米管或银纳米线未嵌入所述上封装保护层8的末端在平面构成导电通路。
上述压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将绝缘弹性聚合物原料搅拌均匀后浇筑在模板中，制备下封装保护层1，如图2所示。
步骤2：待下封装保护层1半固化后，在下封装保护层1的上表面刷涂低维纳米材料，低维纳米材料向下封装保护层1的上表面扩散形成第一扩散层，然后采用烘箱加热固化，形成下电极板2，如图3所示。
步骤3：在下电极板2的上表面两端粘贴金属引线层3，用于引出电极导线，，构成电阻式应变传感器，如图5所示。
步骤4：在下电极板2与金属引线层3上均匀排布细铜丝5并浇筑绝缘弹性聚合物，作为多孔电介质层4，如图6所示。
步骤5：在半固化的多孔电介质层4的上表面两端粘贴第二金属引线层6，如图7所示。
步骤6：然后在上表面刷涂低维纳米材料，低维纳米材料向多孔电介质层4的上表面扩散形成第二扩散层，然后采用烘箱加热固化，形成上电极板7，如图8所示。
步骤7：在上电极板7的表面浇筑绝缘弹性聚合物，加热固化后形成上封装保护层8，如图9所示。
步骤8：去除模板，并将用作模具的细铜丝5抽离，形成孔隙，完成器件制备。
本发明的柔性传感器工作时，受到拉伸应变刺激时，基于低维纳米材料和绝缘弹性聚合物复合导电层的上电极板7与下电极板2，可用于拉伸应变的感知，电阻的电信号分别由金属引线层6和3引出。低维纳米材料在绝缘弹性聚合物表面与内部形成导电通道。在小的拉伸应变下，绝缘弹性聚合物表面的低维纳米材料网络在传感中起主要作用，表面交叠的低维纳米材料随着拉伸的作用分开，导电通路变少，电阻发生变化。在大的拉伸应变下，表面的低维纳米材料已被拉开，绝缘弹性聚合物内部的低维纳米材料网络在传感中起主要作用，大的拉伸导致内部的低维纳米材料通路破裂，电阻发生变化。在受到压力刺激时，基于弹性聚合物的多孔电介质层4与上电极板7，下电极板2构成平行板电容器，在压力的作用下，平行板电容器的极间距发生变化，电容值随之变化，从而实现对压力的感知。
本发明的双模态柔性传感器结构集成了电阻式和电容式两种传感结构，实现电阻与电容信号的同时输出。其中电阻信号变化主要受应变影响，而电容信号变化主要受压力影响，以满足应变与压力信号的同时检测。再根据人体不同部位的运动特征，进行算法分析，实现对人体不同部位运动的判断检测。以人体关节运动为例，柔性传感器共形附着于人体关节的皮肤上，当关节发生弯曲时，柔性传感器不仅受到关节弯曲而产生的拉伸应变，还会受到关节骨突出的挤压。在相同的弯曲角度下，不同的关节由于骨骼凸起的程度不同，产生的压力会不同，从而可以识别运动关节的种类。对于同一关节，不同的弯曲角度会产生不同程度的拉伸应变，从而实现弯曲角度的监测。此外，还可以通过5G通讯进行远程通讯监控，实现远程机械手的动作控制。
如图10所示为本发明的压力-应变双模态柔性传感器远程控制方案，采用CDC芯片和ADC芯片分别采集所设计的双模态传感器的电容和电阻数据。将所采集的数据输送至MCU进行运算处理并通过蓝牙或5G模块传输至接收端，如外骨骼或者机器，接收端的MCU将所接受到的数据进行处理，对对应的伺服电机进行控制，实现远程控制方案。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器，其特征在于，包括由下至上依次设置的下封装保护层（1）、下电极板（2）、第一金属引线层（3）、多孔电介质层（4）、第二金属引线层（6）、上电极板（7），以及上封装保护层（8）；其中，所述下电极板（2）和上电极板（7）的材料为低维纳米材料，制备器件时，所述下电极板（2）的低维纳米材料向所述下封装保护层（1）的上表面扩散形成第一扩散层，所述上电极板（7）的低维纳米材料向所述多孔电介质层（4）的上表面扩散形成第二扩散层，所述低维纳米材料在所述第一扩散层和第二扩散层内部形成导电通道；所述下电极板（2）和上电极板（7）作为电容器结构的极板部分用于感知压力信号，同时作为应变计结构用于感知拉伸信号。
2.根据权利要求1所述的压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器，其特征在于，所述下封装保护层（1）、上封装保护层（8）的材料为绝缘弹性聚合物。
3.根据权利要求1所述的压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器，其特征在于，所述多孔电介质层（4）采高介电常数的有机柔性材料。
4.根据权利要求1所述的压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器，其特征在于，所述低维纳米材料为碳纳米管或银纳米线；所述下电极板（2）中，碳纳米管或银纳米线的前端嵌入下封装保护层（1）中，部分碳纳米管或银纳米线的末端嵌入多孔电介质层（4）中，部分碳纳米管或银纳米线未嵌入所述多孔电介质层（4）的末端在平面构成导电通路；所述上电极板（7）中，碳纳米管或银纳米线的前端嵌入多孔电介质层（4）中，部分碳纳米管或银纳米线的末端嵌入上封装保护层（8）中，部分碳纳米管或银纳米线未嵌入所述上封装保护层（8）的末端在平面构成导电通路。
5.根据权利要求4所述的压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器，其特征在于，所述下封装保护层（1）采用浇筑法制备，在半固化的下封装保护层（1）上表面刷涂低维纳米材料后加热固化，形成所述下电极板（2）以及第一扩散层。
6.根据权利要求4所述的压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器，其特征在于，所述多孔电介质层（4）采用浇筑法制备，并在半固化的多孔电介质层（4）上表面刷涂低维纳米材料后加热固化，形成所述上电极板（7）以及第二扩散层。
7.一种压力-应变双模态信号同时检测的柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将绝缘弹性聚合物原料搅拌均匀后浇筑在模板中，制备下封装保护层（1）；待下封装保护层（1）半固化后，在下封装保护层（1）的上表面刷涂低维纳米材料，低维纳米材料向所述下封装保护层（1）的上表面扩散形成第一扩散层，然后采用烘箱加热固化，形成下电极板（2）；
步骤2：在下电极板（2）的上表面两端粘贴金属引线层（3），用于引出电极导线；
步骤3：在下电极板（2）与金属引线层（3）上均匀排布细铜丝（5）并浇筑绝缘弹性聚合物，作为多孔电介质层（4），然后在半固化的多孔电介质层（4）的上表面两端粘贴第二金属引线层（6），并刷涂低维纳米材料，低维纳米材料向所述多孔电介质层（4）的上表面扩散形成第二扩散层，然后采用烘箱加热固化，形成上电极板（7）；
步骤4：在上电极板（7）的表面浇筑绝缘弹性聚合物，加热固化后形成上封装保护层（8）；
步骤5：去除模板，并将用作模具的细铜丝（5）抽离，形成孔隙，完成器件制备。
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