热力双模态复合敏感材料、其制备方法及应用

本发明涉及敏感材料，尤其涉及一种热力双模态复合敏感材料、其制备方法及应用。

背景技术：

1、敏感材料分为多种感应方式，例如压力感知、位移感知、接近感知和温度感知等等。

2、其中例如柔性热电传感器是一种能够测量温度并将其转化为电信号的传感器。它结合了柔性材料和热电效应，具有柔软、可弯曲和可变形的特性，使其能够适应各种曲面和弯曲表面，并实现更广泛的应用。传感机制是热电效应，是指当两个不同材料的接触点温度不均匀时，会产生电压差。柔性热电传感器利用这种效应来测量温度。通常由多个热电材料组成，其中每个材料对应一种温度敏感性。当传感器的不同区域受到不同温度的影响时，各个热电材料产生的电压差将反映出温度的变化。

3、柔性热电传感器具有以下特点：

4、1.柔性和可变形：由于采用柔性材料制造，传感器具有柔软、可弯曲和可拉伸的特性，适应不同形状和表面。

5、2.快速响应：柔性热电传感器具有快速的温度响应速度，可以实时监测温度变化。

6、3.宽温度范围：柔性热电传感器可以在广泛的温度范围内工作，从低温到高温都有应用。

7、4.高灵敏度：柔性热电传感器可以实现高灵敏度的温度测量，对温度变化具有较高的分辨率。

8、柔性热电传感器在许多领域有广泛的应用，包括医疗设备、智能穿戴设备、机器人技术等。它们可以用于身体温度监测、环境温度检测、工业温度控制等应用场景，提供准确、灵活和舒适的温度感知解决方案。

9、不同于热电传感器，柔性压力传感器是一种能够测量物体施加在其表面的压力的传感器。与传统的刚性传感器相比，柔性压力传感器具有柔软、可弯曲和可变形的特性，使其能够适应不同形状的物体表面，并实现更广泛的应用。柔性压力传感器的工作原理可以基于多种不同的物理效应，包括电阻、电容、压电效应、纳米材料等。根据工作原理和结构特点，柔性压力传感器可以分为以下几类：电阻型压力传感器、电容型压力传感器、压电型压力传感器、光学型压力传感器。其中柔性压阻传感器为一种能够测量物体施加在其表面的压力的传感器。它采用柔性材料制造，具有柔软、可弯曲和可变形的特性，可以适应不同形状和表面，并实现更广泛的应用。其工作机理是基于电阻的变化，当传感器受到压力或压力变化时，导电材料(如导电橡胶或碳纳米管等)的电阻值会发生变化。这是由于施加的压力会改变导电材料内部的电子流动路径和接触状态，进而影响电阻值。通过测量电阻值的变化，可以推断出施加在传感器表面的压力大小。柔性压力传感器在许多领域有广泛的应用，包括健康监测、人机交互、机器人技术、智能穿戴设备等。由于其柔软、薄型和可弯曲的特点，它们可以被集成到各种曲面和弯曲表面上，实现更自然和舒适的压力测量。

10、而集合上述两种功能的柔性压力-热电双模态传感器是一种具有双重工作模式的传感器，可以同时测量物体施加在其表面的压力和温度。它结合了柔性压力传感器和热电传感器的特点，具有一些优势和劣势，同时设计方案需要考虑以下几个方面：

11、优势：

12、1.多模态测量：柔性压力-热电双模态传感器能够同时测量压力和温度，提供了更全面的触觉信息。这对于一些需要综合分析物体接触力和温度变化的应用非常有用。

13、2.高灵敏度：柔性压力-热电双模态传感器具有较高的灵敏度，可以检测到微小所承受的力和温度变化。这对于精细控制和感知要求较高的应用非常重要。

14、3.柔性和可变形：由于采用柔性材料制造，传感器具有柔软、可弯曲和可拉伸的特性，适应不同形状和表面。这使得传感器能够适应各种应用场景和曲面形状。

15、4.实时响应：柔性压力-热电双模态传感器具有快速的响应时间，可以实时监测和测量压力和温度的变化，提供实时的触觉反馈。

16、劣势：

17、1.复杂设计：柔性压力-热电双模态传感器的设计相对复杂，需要将压力传感器和热电传感器集成在一起，并确保它们能够同时工作和提供准确的测量结果。

18、2.高成本：由于集成了多个传感器和相关电路，柔性压力-热电双模态传感器的制造成本较高。这可能限制了其在某些应用中的广泛采用。

19、柔性压力-热电双模态触觉传感器具有多模态测量、高灵敏度、柔性和实时响应的优势，但也面临着复杂设计和高成本的劣势。在设计方案中，材料选择、传感器布局、电路设计、校准和校正以及应用适配都需要综合考虑，以实现性能的最佳平衡。

20、另外，近年来随着柔性电子器件的蓬勃发展，如何通过对传感器件材料、结构和封装等进行设计，解决柔性化过程中多性能无干扰响应等关键问题，将传统硬质传感器制备成具有结构独特、灵敏度高、稳定性好的新型柔性柔性传感器件，同样备受关注并逐渐成为重要的研究领域之一。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热力双模态复合敏感材料、其制备方法及应用。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种热力双模态复合敏感材料，其包括基体，其具有三维多孔结构，并包括高分子材料以及与高分子材料复合的片状非金属导电材料，且部分所述片状非金属导电材料暴露于所述三维多孔结构所含孔洞结构的表面；以及，金属氧化物纳米颗粒，其至少分布于所述片状非金属导电材料的表面；其中，所述片状非金属导电材料和金属氧化物纳米颗粒均为负热电系数的材料。。

4、第二方面，本发明还提供一种热力双模态复合敏感材料的制备方法，其包括：

5、提供至少包含高分子材料和/或高分子材料的前体、片状非金属导电材料以及金属氧化物纳米颗粒的前驱液；

6、对所述前驱液进行冷冻干燥处理，以使所述高分子材料和片状非金属导电材料形成具有三维多孔结构的基体，且所述金属氧化物纳米颗粒负载于所述片状非金属导电材料的表面；

7、其中，所述片状非金属导电材料和金属氧化物纳米颗粒均为负热电系数的材料，当所述前体存在时，所述前体在制备过程中转化为高分子材料。

8、第三方面，本发明还提供一种热力双模态传感器件，其敏感结构、第一电极和第二电极，所述敏感结构设置在所述第一电极和第二电极之间，并分别与所述第一电极、第二电极电性接触；；所述敏感结构包括上述热力双模态复合敏感材料。

9、进一步地，所述第一电极、敏感结构以及第二电极均为柔性的薄膜，且所述第一电极、敏感结构以及第二电极依次层叠设置；

10、进一步地，还包括至少覆盖所述第一电极的柔性衬底以及至少覆盖所述第二电极的柔性保护层。

11、第四方面，本发明还提供一种无干扰热力双模态传感方法，其通过检测上述热力双模态复合敏感材料的电阻，感应所述热力双模态复合敏感材料所承受的力；

12、以及通过检测所述热力双模态复合敏感材料产生的热响应电压，感应所述热力双模态复合敏感材料的温度。

13、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

14、本发明所提供的热力双模态复合敏感材料是集稳定感知压力、热电性能于一体的纳米复合材料，这避免了传统的双模态传感器复杂布局和信号复杂传输的问题，且材料廉价，避免了双模态敏感材料高合成成本的劣势；同时该纳米复合材料的压力感知与热电感知之间是无干扰的，这使得基于该材料制备的传感器具有信号无干扰解耦、避免磨损失效、适应性强、无破坏性、安全性高等优势，且能适应较高温度，并具有稳定的温度信号输出。

15、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。