一种基于功能化电极的压力-温度双敏传感器及其制备方法

本发明属于柔性传感器，具体涉及一种基于功能化电极的压力-温度双敏传感器及其制备方法。

背景技术：

1、对于压力传感器来说，灵敏度、响应时间和可重复性是衡量性能好坏的重要指标，决定传感器的测量精度、工作效率、可靠性和使用寿命。大量研究结果表明，微结构的设计对于柔性压力传感器性能会产生影响，主要体现在以下三个方面：(1)由于微结构具有在微小压力下易变形的特点，通过在柔性压力传感器的柔性基底或介电层上构建微结构，可使活性层的接触面积在压力作用下显著增加，从而产生较大的电阻变化率，有效地提高传感器的灵敏度；(2)采用微结构能快速地恢复传感器的弹性形变，缩短其响应时间；(3)采用微结构也能有效地提升传感器的可重复性、耐久性等传感特性。其次，需要具有识别能力的压力定位传感器，其不仅需要同时获取压力的大小和压力的位置，而且还需要具有识别压力类型的能力(如接触力、滑动力等)。这些传感器可以获得丰富的感知能力，以进行更准确的操作。现有的压力定位传感器常采取分层结构，即压力定位层和压力传感层，这增大了实验的复杂性，因此需要对该种结构进行优化。

2、压力和温度传感是电子皮肤与穿戴者和外界环境进行智能交互的两个基础且重要的功能。近年来，将压力和温度传感功能集成于同一柔性基底上研发双功能传感器，逐渐成为研究热点。但是，双功能传感器在敏感材料和传感结构方面，仍存在实用化问题亟需解决。现有的双功能传感器大都是利用同一种敏感材料，其受到外界压力或温度激励时都将输出变化的电信号，这对电信号来源的追踪和解耦提出了严峻的挑战。

3、压力传感器根据作用原理的不同通常分为压阻式、压电式、电容式和摩擦电式压力传感器，但由于压阻式压力传感器结构简单、精度高且不易受外界环境干扰等优势受到更多的关注。电阻式压力传感器的实现主要由于在外界压力的作用下，材料的电阻发生变化引起的，通过测量外电路的参数便可得到压力大小。当压力增大时，电流流动的截面积增大，流动距离缩短，电阻下降，电流会增大。然而一般的压力传感器活性层在经受较大或者周期较长的压力后结构会受到破坏，导致其灵敏度及压力检测范围降低，且不利于多次循环利用，因而电阻式传感器的灵敏度有待提高，并且其响应速度和感应下限都受限于传统活性层较高的压缩模量和较慢的恢复速率，因此微图案阵列和微孔结构法仍适用于提升电阻式传感器的性能。并且随着研究的继续，压力传感技术有了新的要求，如高兼容性、柔性和可穿戴性，允许更少的像差，并适应不同的表面，使新的功能具有更大的潜力。单个功能的实现已经不适合当前的科技发展步伐，所以各种功能设备通过适当的方法集成实现多功能检测依然值得深入研究。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于功能化电极的压力-温度双敏传感器及其制备方法，本发明通过合理的结构设计，能够同时实现压力和温度的检测，且信号易解耦。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于功能化电极的压力-温度双敏传感器，包括柔性基底和压力传感层，柔性基底上设有叉指电极，压力传感层包括弹性基底和设置弹性基底中且呈阵列分布的多个能够导电的螺旋状纤维，螺旋状纤维的一端露出于弹性基底的表面，螺旋状纤维露出于弹性基底表面的一端与叉指电极接触，叉指电极的材质为银纳米线薄膜，弹性基底与柔性基底之间封装。

4、优选的，螺旋状纤维的轴线与弹性基底表面垂直。

5、优选的，所述叉指电极还包括设置于银纳米线薄膜表面的al2o3薄膜层。

6、优选的，所述弹性基底的材质采用聚二甲基硅氧烷。

7、优选的，所述柔性基底采用nomex纸。

8、优选的，所述螺旋状纤维的材料采用由多壁碳纳米管、聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)和聚乙烯醇交联而成的材料，其中，多壁碳纳米管的含量为聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)质量的5％～10％，此时，多壁碳纳米管/聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)复合材料的导电性较强，聚乙烯醇的含量为多壁碳纳米管、聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)和聚乙烯醇总质量的5％～10％。

9、优选的，弹性基底与柔性基底之间通过pi胶带封装。

10、本发明如上所述的基于功能化电极的压力-温度双敏传感器的制备方法，包括：

11、在柔性基底上旋涂银纳米线薄膜，之后通过激光刻蚀的方法对银纳米线薄膜进行刻蚀，在柔性基底上形成叉指电极；

12、制备一弹性基底模板，所述弹性基底模板上具有呈阵列分布的、用于放置螺旋状纤维的凹口，在每个凹口中放置一个螺旋状纤维，之后用柔性基底模板材料将凹口填充满，使螺旋状纤维与弹性基底模板之间连接，之后通过刻蚀的方法，使螺旋状纤维的一端露出于弹性基底的表面，得到压力传感层；

13、将压力传感层盖在叉指电极柔性基底上，并使螺旋状纤维露出于弹性基底表面的一端与叉指电极接触，之后将弹性基底与柔性基底之间连接，得到所述基于功能化电极的压力-温度双敏传感器。

14、优选的，在柔性基底上旋涂银纳米线薄膜后，再在银纳米线薄膜表面磁控溅射al2o3薄膜层，之后再进行激光刻蚀，在柔性基底上形成叉指电极。

15、优选的：使用二次模板法制备弹性基底模板，其过程包括：在钢板表面冲压出呈阵列分布的圆孔凹坑，得到一次模板，之后在一次模板具有圆孔凹坑一侧的表面浇注环氧树脂预聚物，将环氧树脂预聚物氧化后进行剥离，得到二次模板，所述二次模板的表面具有与所述呈阵列分布的圆孔凹坑对应的凸柱状结构；将pdms预聚物倒入所述二次模板具有凸柱状结构一侧表面，待pdms预聚物固化后进行剥离，得到所述弹性基底模板；

16、所述螺旋状纤维的制备过程包括：通过静电纺丝的方法加工形成纳米纤维网络，将纳米纤维网络切割成长条，将所述长条配合加捻、缠绕、外部拉伸和凝胶化行为转化为所述螺旋状纤维。

17、本发明具有如下有益效果：

18、本发明基于功能化电极的压力-温度双敏传感器中，叉指电极的材质为银纳米薄膜，该叉指电极一方面作为传感器整体的导电电极，另一方面可作为温度传感层，因此本发明可实现温度检测。本发明的压力传感层，设有呈阵列分布的螺旋状纤维、且螺旋状纤维的一端露出于弹性基底的表面，这种类型的传感器由于螺旋结构的存在，在经历多次循环后仍然能够保持结构不受破坏，增强了器件的稳定性，同时解决了灵敏度较低的问题。基于压阻效应，利用螺旋结构压缩变形引起的器件电阻波动来检测外部压力。该传感器可同时实现压力定位功能和检测功能，当压力传感器不受外力作用时，单个螺旋状纤维之间没有接触。在这种情况下，电路处于开路状态，此时无法检测到电信号。当传感器受到外力作用时，螺旋状纤维的上、下导电层发生接触。然后，连接的电路可以得到电路中的电阻值。压力位置可用电阻、导电层面积和电阻率的关系计算得出。且电阻和叉指电极通过监测电压和电阻的变化，该传感器可实现温度和压力的双参数传感。本发明中，温度信号和压力信号之间差别较大，易于解耦计算。