用于压力传感器的支撑层的组合物、压力传感器及其制备方法和应用与流程

本发明涉及压力传感器领域，具体涉及用于压力传感器的支撑层的组合物、压力传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状材料，其碳原子以sp2杂化轨道成键并紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，每个碳原子均含一个未成键电子，在碳原子所形成的平面内自由运动。

2、室温下石墨烯载流子迁移率高达15000cm2/(v·s)，使石墨烯具有优良的导电性、高强度(杨氏模量达1tpa)、高热导率(室温下5300w/(m·k))、极高的表面积(2630m2/g)，其被认为继硅之后的新一代革命性材料。

3、石墨烯新材料的出现为新一代智能可穿戴设备的发展提供了新的技术途径。

4、现有可穿戴设备由于在器件敏感区域产生的热量缺少散热调控，设备透气性差，导致在佩戴时身体部位出汗。

5、针对可穿戴设备散热性差的问题，可以通过热扩散的方式解决。热扩散主要通过三种方式实现，分别是热传导、热对流、热辐射。对于热传导在穿戴器件中热传递速度慢，会将热量直接转移至皮肤表面，整体散热效率低。而热对流是从高温至低温空气流动导致的，多用于器件表面温度的扩散，且需外界空气流动。因此，热辐射，是最理想穿戴器件的散热方式，可将器件内部以及外表面温度通过辐射的方式，快速传递至环境中。

6、辐射是物体的固有属性，一切高于绝对零度的物体都会发生红外辐射。红外辐射是一种波长在0.75～1000μm电磁光谱，既具有波动性又具有粒子性，既遵循波动规律，也遵循量子规律，可被红外辐射材料吸收和发射。

7、随着5g高功率器件的发展，环境干扰严重，以高敏感、高灵敏度的电容式压力传感器基础信号波动性差，使得传感器检出限较低。

8、基于石墨烯的高导热、导电性能，将这种新材料与散热性能优越的材料通过调配用于智能可穿戴器件中，不仅可以实现器件的热管控，还可以制备出抗干扰、抗电磁屏蔽性能的传感器，用于微小压力或拉力的检测与响应。

9、cn106197772a公开了一种柔性压力传感器，包括感应层、衬底层、隔离层和电极，所述感应层的表面和所述衬底层表面设有导电层，导电层为石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜、纳米银线薄膜、金属网格薄膜、碳纤维薄膜或导电树脂薄膜中的一种或两种以上的复合薄膜，所述感应层中的导电层的背面为膜状或片状弹性基材，优选为pdms或tpe；该发明实现了高灵敏度、高可靠性的可应用于柔性受力基体上的压力传感器。但是，该传感器自身内部产生的热量或身体与传感器间积攒的热量无释放通道。

10、cn108165019a公开了一种电磁屏蔽用硅橡胶/石墨烯/碳纳米管纳米复合材料及其制备方法。包括：先构建出三维连续的石墨烯/碳纳米管导电网络骨架，然后再回填硅橡胶，硫化定型。该复合材料在低填料用量下实现了高导电性和突出电磁屏蔽性能。但是，该传感器的散热性较差。

11、cn109520646a公开了基于三维多孔微结构复合介质层的高灵敏度电容式柔性触觉传感器及其制备方法，该现有技术以石墨烯/多壁碳纳米管/硅橡胶导电复合材料为力敏复合材料，通过在聚氨酯海绵三维骨架表面层层浸渍包裹石墨烯/多壁碳纳米管/硅橡胶复合导电材料，自组装获得，该柔性触觉传感器具有良好的柔性、检测灵敏度和动态响应特性。但是，该专利的制备方法为自组装方式、层层浸渍，制备工艺复杂，批量化制备效率较低。

12、cn111392690a公开了一种基于薄膜热电器件供电的压力传感系统及其制备方法，涉及对薄膜热电器件热端封装高导热率的bn/pdms复合物，冷端引入水凝胶作为散热器，当薄膜热电器件贴附热源进行发电时，可实现与环境之间大温差的建立；采用磁控溅射技术控制ag/ti导电薄膜的厚度进而调控导电薄膜材料的电阻，实现高灵敏低工作电流压力传感器的组装。但是，该传感器是通过磁控溅射技术控制传感器电极或敏感层的导电性、介电性，该方法制备的导电材料仅能存在于基体复合材料表层，易产生缺陷、导电层断路现象，无法实现导电材料与复合材料均匀分散。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的柔性压力传感器不能同时兼顾高灵敏、高散热和抗干扰的性能的问题。

2、为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种用于压力传感器的支撑层的组合物，该组合物中含有麦饭石、填料和弹性体i；

3、所述组合物中所述麦饭石、所述填料和所述弹性体i的含量重量比为1：0.6-7：3-10；

4、所述麦饭石中的硅酸盐含量≮94wt％，在100℃下的法向全发射率≮0.85，颗粒平均直径为10-100μm；

5、所述填料选自氧化铝、氮化硼和二氧化钛中的至少一种；

6、所述弹性体i选自聚合物i、ecoflex硅胶、液态硅橡胶和天然乳胶中的至少一种；所述聚合物i中含有质量比为8-12：1的聚二甲基硅氧烷和固化剂。

7、本发明的第二方面提供一种压力传感器，该压力传感器中含有依次层叠设置的感应单元i、介电层和感应单元ii；

8、所述感应单元i和所述感应单元ii相同，各个所述感应单元中含有依次层叠设置的支撑层、弹性体层和电极层，各个所述感应单元中的所述电极层所在的侧面与所述介电层接触；

9、所述支撑层由前述第一方面所述的用于压力传感器的支撑层的组合物形成。

10、本发明的第三方面提供一种前述第二方面所述的压力传感器的制备方法，该方法包括：

11、(1)将用于形成支撑层的组合物中的各组分进行第一混合反应，得到物料i，并将所述物料i进行成型处理i以得到支撑层；

12、(2)在所述支撑层的一侧表面上依次设置弹性体层和电极层，得到感应单元；

13、(3)将所述感应单元分别设置于介电层的两侧表面，并使得各个所述感应单元中的所述电极层所在的侧面与所述介电层接触，得到所述压力传感器；

14、所述用于形成支撑层的组合物为前述第一方面所述的用于压力传感器的支撑层的组合物。

15、本发明的第四方面提供一种前述第二方面所述的压力传感器在可穿戴设备中的应用。

16、采用本发明的组合物制备得到的压力传感器灵敏性高(灵敏度＞4.3kpa-1，响应时间≤42ms)、散热性能好(热导率≥6.5w/(m·k)、热辐射系数≥0.75)、抗干扰性强(电磁屏蔽se≥8％、滞后电容＜0.3pf)。

17、本发明的传感器可应用于可穿戴设备，例如老人摔倒监测、运动员脚部着力点分布监测、脉搏跳动、手指弯曲等细微动作变化的监测。

技术特征：

1.一种用于压力传感器的支撑层的组合物，其特征在于，该组合物中含有麦饭石、填料和弹性体ⅰ；

2.一种压力传感器，其特征在于，该压力传感器中含有依次层叠设置的感应单元i、介电层和感应单元ii；

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述介电层中含有弹性体ⅱ、碳基材料、分散剂和助剂，且所述弹性体ⅱ、所述碳基材料、所述分散剂和所述助剂的含量重量比为1：0.01-0.1：0.05-0.2：0.01-0.05。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，在所述介电层中，所述碳基材料为含量重量比为1：0.5-5的碳纳米管和石墨烯；

5.根据权利要求2-4中任意一项所述的压力传感器，其特征在于，在各个所述感应单元中，所述弹性体层中含有弹性体iii；所述弹性体iii选自聚合物i、ecoflex硅胶、液态硅橡胶和天然乳胶中的至少一种。

6.根据权利要求2-4中任意一项所述的压力传感器，其特征在于，在各个所述感应单元中，所述支撑层、所述弹性体层和所述电极层的厚度之比为1：1-20：1-5。

7.根据权利要求2-4中任意一项所述的压力传感器，其特征在于，在所述压力传感器中，所述感应单元i、所述介电层和所述感应单元ii的厚度之比为1：1-5：1-2。

8.一种制备权利要求2-7中任意一项所述的压力传感器的方法，其特征在于，该方法包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述第一混合反应的条件包括：转速为500-1000rpm，时间为0.5-2h。

10.权利要求2-7中任意一项所述的压力传感器在可穿戴设备中的应用。

技术总结
本发明涉及压力传感器领域，公开了用于压力传感器的支撑层的组合物、压力传感器及其制备方法和应用。该组合物中含有麦饭石、填料和弹性体Ⅰ；所述麦饭石、所述填料和所述弹性体I的含量重量比为1：0.6‑7：3‑10；所述麦饭石中的硅酸盐含量≮94wt％，在100℃下的法向全发射率≮0.85，颗粒平均直径为10‑100μm；所述填料选自氧化铝、氮化硼和二氧化钛中的至少一种；所述弹性体I选自聚合物I、ECOFLEX硅胶、液态硅橡胶和天然乳胶中的至少一种；所述聚合物I中含有质量比为8‑12：1的聚二甲基硅氧烷和固化剂。采用本发明提供的组合物制备得到的压力传感器具有良好的灵敏度、抗干扰性及散热性能。

技术研发人员：翟庆彬,张佑专,曹春雷,周杨,宋亚滨,杨瑞琪
受保护的技术使用者：甘肃旭碳新材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10