CN116593042A - 兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器及制备方法，该传感器包括上电极、压敏层和下电极，所述压敏层设置于所述上电极和所述下电极之间，所述上电极和所述下电极分别包括滤纸基底和所述滤纸基底表面的银纳米线导电薄膜；所述压敏层由碳纳米管/桑皮纸导电复合材料组成；所述碳纳米管/桑皮纸导电复合材料通过在桑皮纸两表面滴涂碳纳米管导电墨水得到。本发明的纸基柔性压力传感器可以有效增大传感器的量程，且提高传感器的灵敏度，且纸基材料具有可循环再生性和生物相容性以及成本低等优势，更适合进行大批量的柔性压力传感器生产。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器及制备方法。
背景技术
近年来，新材料的不断涌现和先进制造技术的更新使得所制备的柔性压力传感器功能愈加完善，已实现在人体运动检测、医疗康复、智能鞋服等多个领域广泛应用。为了满足柔性压力传感器在人体运动实时检测方面的要求，要求传感器在测量灵敏度、量程以及稳定性和耐久性等方面进一步地提升性能。
根据柔性压力传感器敏感机理的不同，主要可分为电容式、电阻式、压电式式与摩擦电式四种，其中电阻式具有结构简单、信号调理方便以及可靠高等优点，使得其应用更加广泛。通常而言，电阻式柔性传感器由柔性电极和压敏层组成，通过压敏层的压阻效应和电极与压敏层间的接触电阻变化实现施加载荷的测量。常见的压敏层一般采用在柔性基底材料(如聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺等)中加入导电填料(如金纳米线、银纳米线以及碳纳米管、石墨烯等)制备得到。但是受到压敏层材料力学性能和电学特性的限制，这种包含复合材料压敏层的柔性传感器往往表现出较低的灵敏度。在压敏层中引入微结构是一种有效提高灵敏度的方法，但是通常会降低传感器的量程。而且常见的微结构加工往往需要昂贵的设备，复杂的工艺和技术，从而增加了柔性传感器的制作成本，限制了柔性传感器的使用范围。
由纤维素组成的纸基材料具有非常好的柔韧性、生物相容性，而且还具有成本低、来源广以及可循环再生等优点，使得其在柔性压力传感器设计中具有明显的优越性，但是现有的纸基压力传感器存在灵敏度与测量量程不能同时兼顾，需要专门的印刷设备等问题。因此，本发明旨在利用纸基材料制备一种兼有高灵敏度和宽量程的全纸基柔性压力传感器，使其在人体状态监测、可穿戴设计中具有广泛的应用前景。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明第一方面提供了一种兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器，包括上电极、压敏层和下电极，所述压敏层设置于所述上电极和所述下电极之间，所述上电极和所述下电极分别包括滤纸基底和所述滤纸基底表面的银纳米线导电薄膜；所述压敏层由碳纳米管/桑皮纸导电复合材料组成；所述碳纳米管/桑皮纸导电复合材料通过在桑皮纸两表面滴涂碳纳米管导电墨水得到。
在本发明的一个实施例中，所述银纳米线导电薄膜表面具有松散的纳米微结构。
在本发明的一个实施例中，所述银纳米线导电薄膜是通过抽滤的方法将银纳米线分散在所述滤纸基底的表面形成。
在本发明的一个实施例中，所述压敏层具有多尺度微结构，包括所述桑皮纸表面的多孔网状结构以及所述桑皮纸在浸湿/干燥过程中形成的微小褶皱。
在本发明的一个实施例中，所述碳纳米管导电墨水是通过在碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液中加入水性聚氨酯得到。
在本发明的一个实施例中，所述压敏层包括三层碳纳米管/桑皮纸导电复合材料。
本发明第二方面提供了一种兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
制备上电极和下电极：分别将银纳米线乙醇溶液通过抽滤的方法涂覆在滤纸的表面，干燥后得到所述上电极和所述下电极；
制备压敏层：在碳纳米管中加入聚二甲基甲酰胺得到碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液，在所述碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液中加入水性聚氨酯得到碳纳米管导电墨水，再将所述碳纳米管导电墨水滴涂在桑皮纸的两侧，干燥后得到所述压敏层；
制备柔性压力传感器：在所述上电极和所述下电极上制作传感器信号输出线，并将所述压敏层设置在所述上电极和所述下电极之间，电极层的银纳米线导电薄膜与所述压敏层紧密接触，封装后得到所述柔性压力传感器。
在本发明的一个实施例中，所述制备上电极和下电极，具体包括：
1)将银纳米线加入无水乙醇中，超声分散后得到均匀的银纳米线乙醇溶液；
2)将所述银纳米线乙醇溶液加入真空抽滤装置中，进行20～40分钟真空抽滤，将银纳米线均匀涂覆在滤纸一侧的表面上，得到银纳米线/滤纸材料；
3)将所述银纳米线/滤纸材料放在培养皿中，并用开有小孔的锡纸封口后放入真空干燥箱中，在50～70℃真空环境下干燥12～24小时，完全干燥后银纳米线紧紧附着在滤纸表面上，得到银纳米线/滤纸电极层，将两个所述银纳米线/滤纸电极层分别作为所述上电极和所述下电极。
在本发明的一个实施例中，所述制备压敏层，具体包括：
1)称取多壁碳纳米管放入试样瓶中，并加入聚二甲基甲酰胺作为分散剂进行超声分散20～40分钟，然后将其进行机械搅拌1～3小时，得到碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液；
2)在所述碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液中加入水性聚氨酯，进行机械搅拌1～3小时后再进行超声分散20～40分钟，可得到碳纳米管导电墨水；
3)采用滴涂工艺将所述碳纳米管导电墨水滴涂在桑皮纸一侧的表面上，待其完全干燥后再对桑皮纸的另一表面进行滴涂，待完全干燥后得到碳纳米管/桑皮纸压敏材料；
4)将三层完全相同的所述碳纳米管/桑皮纸压敏材料叠放后得到传感器的压敏层。
在本发明的一个实施例中，所述制备柔性压力传感器，具体包括：
1)将所述上电极和所述下电极与所述压敏层裁剪到所需的尺寸，并在所述上电极和所述下电极的银纳米线导电薄膜边缘处用导电银浆粘贴一条铜箔作为传感器信号输出线；
2)将上述压敏层放置在所述上电极和所述下电极中间，且所述上电极和所述下电极的银纳米线导电薄膜与压敏层紧密接触，实现传感器的弹性多层堆叠敏感结构，最后在电极层边缘进行封装，得到柔性压力传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
由于本发明的上电极和下电极均采用滤纸基底，且滤纸基底表面的银纳米线导电薄膜具有松散的纳米微结构，此外，压敏层是在桑皮纸表面滴涂碳纳米管导电墨水得到，桑皮纸表面的多孔网状结构以及桑皮纸在浸湿/干燥过程中形成的微小褶皱使得压敏层具有多尺度微结构，因此本发明的兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器，是一种全纸基的柔性压力传感器；本发明中的滤纸与桑皮纸是具有良好机械性能的基底材料，表现出优异的柔韧性和可弯曲性，而且桑皮纸通常由更为粗壮的纤维素组成，从而形成了多孔网状结构，使压敏层表面呈现不规则非均匀分布的微结构，从而增大了传感器的有效量程；与此同时与其他高分子聚合物基体材料相比较而言还具有可循环再生性和生物相容性以及成本低等优势，更适合进行大批量的柔性压力传感器生产。
此外，本发明兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器的上电极、压敏层和下电极形成弹性多层堆叠敏感结构，由三层压敏材料堆叠形成的压敏层大大提高了其可压缩量，从而有效扩大了传感器的量程，因为传感器的量程主要是与接触电阻变化范围有关，而三层结构的设计相较于单层和两层结构提供了更加丰富的接触面积变化范围，从而可以有效提升接触电阻的变化范围，扩大了量程。另一方面，桑皮纸作为压敏层的基底材料为其提供了丰富的多孔微结构，其与电极层银纳米线薄膜所具有的表面纳米微结构共同作用，受压之后都产生丰富的微观结构变化，形成更多的接触电阻变化，有效提高了传感器的灵敏度。
本发明的主要采用了真空抽滤、滴涂等简便的制备工艺，具有易操作、成本低、易于规模化生成等优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器的结构示意图；
图2是本发明纸基柔性压力传感器的电阻-压力特性测量原理图；
图3是本发明纸基柔性压力传感器的压力测量响应原理图；
图4是制备上电极和下电极的流程图；
图5是制备压敏层的流程图；
图6是本发明实施例的桑皮纸悬空于玻璃板材的示意图；
图7是本发明实施例的桑皮纸基底表面的扫描电子显微镜图；
图8是本发明柔性压力传感器压敏层的扫描电子显微镜图；
图9是本发明柔性压力传感器不同层数压敏层的灵敏度测试曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器的结构示意图，本发明实施例的纸基柔性压力传感器，包括上电极、压敏层和下电极，所述压敏层设置于所述上电极和所述下电极之间，所述上电极和所述下电极分别包括滤纸基底和所述滤纸基底表面的银纳米线导电薄膜；所述压敏层由碳纳米管/桑皮纸导电复合材料组成；所述碳纳米管/桑皮纸导电复合材料通过在桑皮纸两表面滴涂碳纳米管导电墨水得到。
下面对本发明实施例的纸基柔性压力传感器的各层结构进行具体介绍。
本发明实施例的上电极和下电极结构相同，材质相同，基底为滤纸，一般是由棉质纤维组成，纸质疏松；电极表面的银纳米线导电薄膜表面具有松散的纳米微结构，形成这种结构的一种实施方式可以是通过抽滤的方法将银纳米线分散在所述滤纸基底的表面来形成，银纳米线具体可以分散于无水乙醇中形成银纳米线乙醇溶液，银纳米线乙醇溶液在抽滤过程中可以无序地分布在滤纸基底表面，这种无序的分布使得银纳米线导电薄膜表面能具有相应的微结构。
需要说明的是，本发明采用的银纳米线作为电极导电材料具备优秀导电特性，但是银纳米线造价昂贵，因此将银纳米线分散下无水乙醇中形的成银纳米线乙醇溶液浓度优选为1mg/ml，此浓度的银纳米线/无水乙醇分散液既可使得制备的电极展现良好的导电性与稳定性，又能兼顾成本。
本发明实施例的压敏层具有多尺度微结构，包括所述桑皮纸表面的多孔网状结构以及所述桑皮纸在浸湿/干燥过程中形成的微小褶皱。本发明实施例的压敏层采用的桑皮纸，是以桑树嫩皮为原料，成纸具有纤维交错均匀、韧性好、拉力强、质地软、吸水性强、不褪色等特点。
本发明实施例压敏层表面涂覆的碳纳米管导电墨水可以通过采购市售得到，但优选是通过在碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液中加入水性聚氨酯得到。具体制备方法可以是：首先将碳纳米管加入到聚二甲基甲酰胺分散剂中，进行超声分散得到二者的悬浊液，然后对悬浊液在常温下进行机械搅拌即可得到碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液，该分散液即碳纳米管导电墨水。水性聚氨酯的加入有效提升了碳纳米管在桑皮纸表面附着的稳定性，可以提高分散体系的稳定性以及其与桑皮纸基底间的附着力。碳纳米管作为导电材料，使其附着在桑皮纸表面形成碳纳米管/桑皮纸复合材料，作为压敏层表现出电阻随压力变化的行为，实现压力测量。
优选地，本发明实施例选用的水性聚氨酯的聚氨酯含量为32±5％，粘度<300mPa·s。本发明实施例选用的碳纳米管导电墨水中，碳纳米管所占的质量百分比为7.69％，采用此质量百分比的碳纳米管制备得到的压敏层具有更合适的电阻率。
本发明实施例的压敏层，可以是由一层碳纳米管/桑皮纸导电复合材料构成的压敏层，也可以是多层碳纳米管/桑皮纸导电复合材料构成的压敏层，但本发明的实施例的压敏层优选为由三层碳纳米管/桑皮纸导电复合材料构成的压敏层。之所以优选为三层，是通过制备并对比具有一层、两层、三层压敏层传感器的灵敏度，结果表明三层的性能优于前两者；也制备了四层结构的传感器，但是四层初始电阻值过大，在兆欧级别以上，且测量结果不稳定，因此三层作为最优选的方案。
需要说明的是，本发明的纸基柔性压力传感器在上电极和下电极的银纳米线导电薄膜边缘处设置有铜箔作为传感器信号输出线。
由于本发明的上电极和下电极均采用滤纸基底，且滤纸基底表面的银纳米线导电薄膜具有松散的纳米微结构，此外，压敏层是在桑皮纸表面滴涂碳纳米管导电墨水得到，桑皮纸表面的多孔网状结构以及桑皮纸在浸湿/干燥过程中形成的微小褶皱使得压敏层具有多尺度微结构，因此本发明的兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器，是一种全纸基的柔性压力传感器；本发明中的滤纸与桑皮纸是具有良好机械性能的基底材料，表现出优异的柔韧性和可弯曲性，而且桑皮纸通常由更为粗壮的纤维素组成，从而形成了多孔网状结构，使压敏层表面呈现不规则非均匀分布的微结构，从而增大了传感器的有效量程；与此同时与其他高分子聚合物基体材料相比较而言还具有可循环再生性和生物相容性以及成本低等优势，更适合进行大批量的柔性压力传感器生产。
此外，本发明兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器的上电极、压敏层和下电极形成弹性多层堆叠敏感结构，由三层压敏材料堆叠形成的压敏层大大提高了其可压缩量，从而有效扩大了传感器的量程，因为传感器的量程主要是与接触电阻变化范围有关，而三层结构的设计相较于单层和两层结构提供了更加丰富的接触面积变化范围，从而可以有效提升接触电阻的变化范围，扩大了量程。另一方面，桑皮纸作为压敏层的基底材料为其提供了丰富的多孔微结构，其与电极层银纳米线薄膜所具有的表面纳米微结构共同作用，受压之后都产生丰富的微观结构变化，形成更多的接触电阻变化，有效提高了传感器的灵敏度。
请参见图2，图2是本发明纸基柔性压力传感器的电阻-压力特性测量原理图；将恒定电压源分别于本发明的柔性压力传感器两引线连接，通过测量电路中的电流即可获得柔性压力传感器的对应电阻值。
请参见图3，图3是本发明纸基柔性压力传感器的压力测量响应原理图；当外载荷发生变化时，上电极、下电极与压敏层，以及各压敏层之间的接触面积增大，建立的导电通路相应增加从而使得两电极之间的电阻发生改变并相应地改变电路中的电流值。
本发明实施例还提供了一种兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、制备上电极和下电极：分别将银纳米线乙醇溶液通过抽滤的方法涂覆在滤纸的表面，干燥后得到所述上电极和所述下电极。
请参见图4，图4是制备上电极和下电极的流程图；具体地，本步骤的制备方法包括步骤：
步骤1.1、将银纳米线加入无水乙醇中，超声分散后得到均匀的银纳米线乙醇溶液；
步骤1.2、将所述银纳米线乙醇溶液加入真空抽滤装置中，进行20～40分钟真空抽滤，将银纳米线均匀涂覆在滤纸一侧的表面上，得到银纳米线/滤纸材料；
步骤1.3、将所述银纳米线/滤纸材料放在培养皿中，并用开有小孔的锡纸封口后放入真空干燥箱中，在50～70℃真空环境下干燥12～24小时，完全干燥后银纳米线紧紧附着在滤纸表面上，得到银纳米线/滤纸电极层，将两个所述银纳米线/滤纸电极层分别作为所述上电极和所述下电极。
步骤2、制备压敏层：在碳纳米管中加入聚二甲基甲酰胺得到碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液，在所述碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液中加入水性聚氨酯得到碳纳米管导电墨水，再将所述碳纳米管导电墨水滴涂在桑皮纸的两侧，干燥后得到所述压敏层。
请参见图5，图5是制备压敏层的流程图；具体地，本步骤的制备方法包括步骤：
步骤2.1、称取多壁碳纳米管放入试样瓶中，并加入聚二甲基甲酰胺作为分散剂进行超声分散20～40分钟，然后将其进行机械搅拌1～3小时，得到碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液，分散液中碳纳米管的含量优选为0.6％～1％，这是因为碳纳米管之间的范德华力使得其很难均匀分散，但是作为导电涂料又希望其分散尽可能均匀，通过实验发现水性聚氨酯与碳纳米管的该质量比可以使得碳纳米管既可以有效地进行分散，又能够达到较好的导电效果。需要说明的是，加入聚二甲基甲酰胺后先形成的是碳纳米管/聚二甲基甲酰胺悬浊液，机械搅拌后再形成碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液。
步骤2.2、在所述碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液中加入水性聚氨酯，进行机械搅拌1～3小时后再进行超声分散20～40分钟，可得到碳纳米管导电墨水；水性聚氨酯与碳纳米管的质量比优选在0.06％～0.1％之间，选择这个含量既保证了制备得到的碳纳米管导电墨水具备良好的流动性，又使得导电墨水可以与桑皮纸进行良好的附着。
步骤2.3、采用滴涂工艺将所述碳纳米管导电墨水滴涂在桑皮纸一侧的表面上，待其完全干燥后再对桑皮纸的另一表面进行滴涂，待完全干燥后得到碳纳米管/桑皮纸压敏材料；滴涂的次数可以决定桑皮纸表面碳纳米管的含量，也可以影响压敏材料的电阻值和传感器的性能，本步骤中的滴涂次数限定为2次，在桑皮纸的两面均进行滴涂，确保压敏层吸附较多的导电碳纳米管；
步骤2.4、将三层完全相同的所述碳纳米管/桑皮纸压敏材料叠放后得到传感器的压敏层。
步骤3、制备柔性压力传感器：在所述上电极和所述下电极上制作传感器信号输出线，并将所述压敏层设置在所述上电极和所述下电极之间，电极层的银纳米线导电薄膜与所述压敏层紧密接触，封装后得到所述柔性压力传感器。
具体地，本步骤的制备方法包括步骤：
步骤3.1、将所述上电极和所述下电极与所述压敏层裁剪到所需的尺寸，并在所述上电极和所述下电极的银纳米线导电薄膜边缘处用导电银浆粘贴一条铜箔作为传感器信号输出线；
步骤3.2、将上述压敏层放置在所述上电极和所述下电极中间，且所述上电极和所述下电极的银纳米线导电薄膜与压敏层紧密接触，实现传感器的弹性多层堆叠敏感结构，最后在电极层边缘进行封装，得到柔性压力传感器。
本发明的制备方法主要采用了真空抽滤、滴涂等简便的制备工艺，具有易操作、成本低、易于规模化生成等优点。
下面结合具体的各物质的量以及实验条件，给出一个具体的制备方法的实施例作为说明。
本发明全纸基柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用真空抽滤工艺制备银纳米线/滤纸电极，具体过程如下：
1)称取5mg银纳米线加入到5ml无水乙醇溶液中，进行15分钟的超声分散，得到浓度为1mg/ml的银纳米线/乙醇分散液。
2)取一片孔径为45微米的洁净的滤纸放置在真空抽滤装置上，然后开启真空抽滤装置。
3)使用滴管吸取银纳米线/乙醇分散液并逐滴加到滤纸上，整个过程中保持真空抽滤装置开启，在全部滴加结束后再继续保持抽滤30分钟。
4)将涂有银纳米线的滤纸取下后放入玻璃培养皿中，用开有小孔的锡纸密封后放入真空干燥箱，进行20小时的真空干燥后得到银纳米线/滤纸的电极层。
步骤2：采用混合溶液法制备碳纳米管导电墨水，具体过程如下：
1)取25mg的多壁碳纳米管加入到试样瓶中，向其中加入2.844g的聚二甲基甲酰胺作为分散剂，封口后进行30分钟超声分散，得到碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液。
2)将碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液在恒温磁力搅拌机上进行2小时机械搅拌，温度为常温，转速设置在700～750rpm之间。
3)然后将装有碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液的样品瓶，放置在天平上进行称量后，向其中加入0.3g的水性聚氨酯，再次机械搅拌2小时，得到均匀分散的碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液/水性聚氨酯溶液。
4)将得到的碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液/水性聚氨酯溶液再进行一次10分钟的超声处理，得到碳纳米管导电墨水以待后续使用。
步骤3：制备碳纳米管/桑皮纸压敏层，步骤如下：
1)将桑皮纸裁剪到合适的尺寸后，用胶带固定于镂空的玻璃板材中间，防止桑皮纸与其他物体直接接触，如图6所示。
2)将步骤2得到的碳纳米管导电墨水，在真空环境下静置3-5分钟，脱去气泡。
3)使用滴管吸取碳纳米管导电墨水，然后在桑皮纸的一个表面进行滴涂，滴涂从桑皮纸一端开始到另一端停止，滴涂过程中保持匀速移动确保桑皮纸各处碳纳米管浓度均匀，完成单面滴涂完成后放进干燥箱中进行干燥，干燥箱温度设置为80℃，干燥时间20分钟。
4)干燥后取出，将桑皮纸翻面后，重复上述操作3)，待桑皮纸完全干燥，即可得到碳纳米管/桑皮纸压敏材料。
5)将三层碳纳米管/桑皮纸压敏材料依次堆叠放置，得到压敏层。
步骤4：制作全纸基柔性压力传感器，具体过程为：
1)将上述所得到的电极层与压敏层裁剪成所需尺寸，在电极层边缘位置使用导电银胶黏贴铜箔作为引线以便于后续测量；
2)将压敏层放置在上、下电极中间，其中两电极银纳米线导电层面对面布置，在电极层边缘使用双面胶进行封装，封装完成后得到柔性压力传感器。
图7为本发明实施例的桑皮纸基底表面的扫描电子显微镜图，从图中可以看桑皮纸表面的纤维比较粗壮，而且错综无序的纤维结合形成了多孔隙结构。
图8为本发明柔性压力传感器压敏层的扫描电子显微镜图，从图中可以看到碳纳米管已经附着于桑皮纸白表面，包括了纤维的表面与空隙之中均有。
图9为本发明柔性压力传感器不同层数压敏层的灵敏度测试曲线，从图中可以得出三层压敏层的灵敏度明显优于一层与两层结构，也说明采用三层压敏材料堆叠形成的压敏层大大提高了其可压缩量，从而有效扩大了传感器的量程。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器，其特征在于，包括上电极、压敏层和下电极，所述压敏层设置于所述上电极和所述下电极之间，所述上电极和所述下电极分别包括滤纸基底和所述滤纸基底表面的银纳米线导电薄膜；所述压敏层由碳纳米管/桑皮纸导电复合材料组成；所述碳纳米管/桑皮纸导电复合材料通过在桑皮纸两表面滴涂碳纳米管导电墨水得到。
2.根据权利要求1所述的兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器，其特征在于，所述银纳米线导电薄膜表面具有松散的纳米微结构。
3.根据权利要求2所述的兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器，其特征在于，所述银纳米线导电薄膜是通过抽滤的方法将银纳米线分散在所述滤纸基底的表面形成。
4.根据权利要求1所述的兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器，其特征在于，所述压敏层具有多尺度微结构，包括所述桑皮纸表面的多孔网状结构以及所述桑皮纸在浸湿/干燥过程中形成的微小褶皱。
5.根据权利要求1所述的兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器，其特征在于，所述碳纳米管导电墨水是通过在碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液中加入水性聚氨酯得到。
6.根据权利要求1所述的兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器，其特征在于，所述压敏层包括三层碳纳米管/桑皮纸导电复合材料。
7.一种兼有高灵敏度和宽量程的纸基柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备上电极和下电极：分别将银纳米线乙醇溶液通过抽滤的方法涂覆在滤纸的表面，干燥后得到所述上电极和所述下电极；
制备压敏层：在碳纳米管中加入聚二甲基甲酰胺得到碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液，在所述碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液中加入水性聚氨酯得到碳纳米管导电墨水，再将所述碳纳米管导电墨水滴涂在桑皮纸的两侧，干燥后得到所述压敏层；
制备柔性压力传感器：在所述上电极和所述下电极上制作传感器信号输出线，并将所述压敏层设置在所述上电极和所述下电极之间，电极层的银纳米线导电薄膜与所述压敏层紧密接触，封装后得到所述柔性压力传感器。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备上电极和下电极，具体包括：
1)将银纳米线加入无水乙醇中，超声分散后得到均匀的银纳米线乙醇溶液；
2)将所述银纳米线乙醇溶液加入真空抽滤装置中，进行20～40分钟真空抽滤，将银纳米线均匀涂覆在滤纸一侧的表面上，得到银纳米线/滤纸材料；
3)将所述银纳米线/滤纸材料放在培养皿中，并用开有小孔的锡纸封口后放入真空干燥箱中，在50～70℃真空环境下干燥12～24小时，完全干燥后银纳米线紧紧附着在滤纸表面上，得到银纳米线/滤纸电极层，将两个所述银纳米线/滤纸电极层分别作为所述上电极和所述下电极。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备压敏层，具体包括：
1)称取多壁碳纳米管放入试样瓶中，并加入聚二甲基甲酰胺作为分散剂进行超声分散20～40分钟，然后将其进行机械搅拌1～3小时，得到碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液；
2)在所述碳纳米管/聚二甲基甲酰胺分散液中加入水性聚氨酯，进行机械搅拌1～3小时后再进行超声分散20～40分钟，可得到碳纳米管导电墨水；
3)采用滴涂工艺将所述碳纳米管导电墨水滴涂在桑皮纸一侧的表面上，待其完全干燥后再对桑皮纸的另一表面进行滴涂，待完全干燥后得到碳纳米管/桑皮纸压敏材料；
4)将三层完全相同的所述碳纳米管/桑皮纸压敏材料叠放后得到传感器的压敏层。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备柔性压力传感器，具体包括：
1)将所述上电极和所述下电极与所述压敏层裁剪到所需的尺寸，并在所述上电极和所述下电极的银纳米线导电薄膜边缘处用导电银浆粘贴一条铜箔作为传感器信号输出线；
2)将上述压敏层放置在所述上电极和所述下电极中间，且所述上电极和所述下电极的银纳米线导电薄膜与压敏层紧密接触，实现传感器的弹性多层堆叠敏感结构，最后在电极层边缘进行封装，得到柔性压力传感器。
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|---|---|---|---|---|
| CN117030079A (zh) * | 2023-10-09 | 2023-11-10 | 之江实验室 | 一种宽量程柔性压力传感器及其制备方法 |
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- 2023-03-29 CN CN202310327331.5A patent/CN116593042A/zh active Pending
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