磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力柔性传感器及其制备方法和应用

本发明涉及柔性可穿戴微型传感，尤其是基于磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管的电容式柔性微压力传感器的制备方法，以及在组装成柔性可穿戴式传感器监测人体微运动信号的应用。

背景技术：

1、随着科技的发展、民生的改善，人们对健康的重视程度不断提高，需要能够与人体及其组织集成的设备来实时、动态、连续地监测人体运动信号，这对设备提出了多重要求：由于人体及其组织为非可展曲面，为了实现装置的贴合性和便携性，需要装置具有微型化和柔性的特性；人体生命信号一般比较微弱，为了实现人体健康信号的动态感知、处理和传输，则要求设备具有较高的分辨率、稳定性和快的响应速度。

2、电容式微压力传感器的工作机理是基于外界压力产生的电容和电阻效应。当对微型传感器施加压力时，电解质层会因变形而填充叉指电极指状物之间的通道，使凝胶电解质与电极材料更的紧密接触，提高了赝电容和双电层电容；同时，在外压的作用下，活性材料的厚度减小，缩短了电子传输路径，降低了界面接触阻抗和电荷转移阻抗，从而产生对外压的电流感应。基于电容式传感器的工作原理，需要设计柔性、容量高、层间距大的一维/二维材料，用于开发微型、柔性可穿戴且高灵敏度的传感人体生命信息的器件，对可穿戴电子设备及医疗水平的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管微压力传感器的制备方法。本发明的另一目的是提供一种磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管微压力传感器，具有体积小、灵敏度高、稳定性强、压力感测范围广的优点，可以实现对人体微运动信号的精准连续检测；本发明的另一目的是提供一种磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管微压力传感器的应用。

2、技术方案：实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管微压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，二维碳化钛粉末的制备：将氟化锂和盐酸分散到水溶液中，原位生成氢氟酸后，加入前驱体碳化钛，形成刻蚀体系溶液，将所述刻蚀体系溶液密封后，进行搅拌反应，得到二维碳化钛溶液；对所述二维碳化钛溶液进行离心、洗涤以洗去酸性有害物质，真空下干燥过夜并研磨，即得到二维碳化钛粉末；

5、步骤2，磷掺杂二维碳化钛分散液的配制：以一水次磷酸钠为磷源，与二维碳化钛粉末一起在氮气条件下高温煅烧，得到磷掺杂二维碳化钛粉末；将粉末加入到去离子水中，进行超声剥离、离心，得到磷掺杂二维碳化钛分散液；

6、步骤3，阳离子改性碳纳米管分散液的配制：将碳纳米管用聚二烯二甲基氯化铵溶液进行阳离子改性，将聚二烯二甲基氯化铵溶液(阳离子溶液)和碳纳米管共同加入到去离子水中，搅拌、离心、洗涤，得到阳离子改性碳纳米管分散液；

7、磷掺杂二维碳化钛与碳纳米管的静电自组装：将磷掺杂二维碳化钛分散液和阳离子改性碳纳米管分散液，在氮气氛围下搅拌组装，得到磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管分散液；

8、步骤4，将水系微孔滤膜、掩膜板依次放置于真空过滤瓶上，启动离心泵，向掩膜版中慢慢滴入磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管分散液，得到粘附在滤膜上的叉指电极，施压使叉指电极剥离至聚酯薄膜；

9、步骤5，将聚乙烯醇加入到硫酸溶液中，加热搅拌溶解制备硫酸/聚乙烯醇凝胶电解质；通过导电银浆与聚酰亚胺胶带将导电金属箔与叉指电极的引脚相连；将硫酸/聚乙烯醇凝胶电解质均匀涂覆在步骤4所得到的叉指电极正中央，干燥后得到磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器。

10、作为优选，步骤1中，氟化锂和碳化钛质量比为1:2～1:0.5，碳化钛和盐酸的摩尔量比为1:40～1:10。作为优选，步骤1中，刻蚀反应时间为24～48h，反应温度为30～50℃。

11、作为优选，步骤2中，二维碳化钛粉末和一水次磷酸钠的质量比为1:5～1:1。

12、作为优选，步骤2中，煅烧温度为200～500℃，煅烧时间为2～5h，升温速率为2～10℃/min，分散液浓度为1.0～5.0mg/ml。

13、作为优选，步骤3中，碳纳米管的用量为30～300mg，聚二烯二甲基氯化铵溶液用量为1.5～15μl，分散液浓度为1.0～5.0mg/ml。

14、作为优选，步骤3中，碳纳米管的内径长5～10nm，外径长20～30nm，管长为0.5～2μm。

15、作为优选，步骤3中，碳纳米管分散液和磷掺杂二维碳化钛分散液的体积比为1:19～1:9。

16、作为优选，步骤4中，叉指型掩膜板的材质为不锈钢，掩膜板的尺寸如下：厚度为0.3mm、片长为30mm、片宽为20mm、两叉指间距为1mm、叉指宽为1mm、引脚长为3mm、引脚宽为2.5mm、叉指形状长为20mm、叉指形状宽为10mm。

17、作为优选，步骤4中，水系微孔滤膜孔径为0.1～0.3μm。

18、作为优选，步骤4中，分散液的浓度为1～1.5mg/ml。

19、作为优选，步骤4中，施加的压力为1mpa～6mpa。

20、作为优选，步骤5中，所述的聚乙烯醇和硫酸均为分析级。

21、作为优选，步骤5中，导电金属箔可以选用铝箔、铜箔。

22、作为优选，步骤5中，干燥为自然干燥，干燥时间为12～24h。

23、第二方面，本发明提供一种利用上述方法制备所得的磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器。

24、第三方面，本发明提供一种磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器检测人体运动信号的应用。

25、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1.本发明通过设计柔性磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管材料用于电容式微压力传感器，具有出色的机械柔性和人体皮肤可贴合性，传感器的体积小、灵敏度高、压力感测范围广，能够在人体皮肤小面积贴附，实现对人体微运动信号的精准连续检测。

26、2.本发明提出的掩膜板真空辅助过滤法制备电容式微传感器的方法，工艺流程短、成本低、衬底选择性强，突破了传统的电沉积、光刻蚀工艺等耗时长、工艺复杂的限制，降低了加工成本，可广泛地应用于微机电系统、微型医疗设备等微纳器件领域。

技术特征：

1.一种磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，氟化锂和碳化钛的质量比为1:2～1:0.5；所述碳化钛和盐酸的摩尔量比为1:40～1:10。

3.根据权利要求1所述的磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，刻蚀温度为30～50℃。

4.根据权利要求1所述的磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，磷源为一水次磷酸钠。

5.根据权利要求1所述的磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，煅烧温度为200～500℃；煅烧时间为2～5h；升温速率为2～10℃/min。

6.根据权利要求1所述的磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，阳离子溶液为聚二烯二甲基氯化铵溶液；搅拌组装时间为3～12h。

7.根据权利要求1所述的磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，叉指型掩膜板的材质为不锈钢。

8.根据权利要求1所述的磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，导电金属箔为铝箔活铜箔；电解质为硫酸/聚乙烯醇凝胶。

9.一种根据权利要求1-8中任一所述的制备方法制备所得的磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器。

10.权利要求9所述的磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微压力传感器在制备柔性可穿戴监测人体微运动信号设备中的应用。

技术总结本发明公开了一种磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微型压力传感器及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：通过化学气相沉积和静电自组装制备了磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管分散液；通过掩膜版真空辅助过滤将磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管柔性电极原位分离在水系微孔滤膜上；将获得的叉指电极转移到聚对苯二甲酸乙二醇酯柔性衬底，覆盖硫酸/聚乙烯醇凝胶电解液并连接集流体，得到与皮肤贴合的电容式微压力柔性传感器。本发明中提出的磷掺杂二维碳化钛/碳纳米管电容式微型压力传感器，对外部压力表现出优异灵敏度和较宽的压力感测范围，实现了对人体微运动信号的精确连续检测，在可穿戴电子设备以及生物医疗领域具有巨大的市场前景。技术研发人员：王育乔,杨文帅,朱世璠,季台隆,刘媛媛受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2