本发明涉及传感器领域，具体涉及一种mxene的高灵敏度压阻传感器及制备方法。
背景技术：
随着智能产业的快速发展，可穿戴传感器设备不断出现在人们生活的各个方面，包括人机交互、仿生四肢、健康运动监测设备和医疗设备，使健康的生活方式与方便、能效和智能化相兼容。同时，高性能压力传感器在可穿戴传感器设备中起着至关重要的作用。根据工作原理，柔性压力传感器一般分为压阻式、电容式和压电式三种。其中压阻式压力传感器应用最为广泛，这主要因为相比于电容式和压电式，压阻式压力传感器有传感原理简单、信噪比高和传感性能稳定等优点。
目前为止柔性压阻传感器面临的问题主要分为两个方面，一个是性能提升方向，让传感器拥有更高的灵敏度、分辨率、响应速度以及良好的稳定性能；另一个问题是研制工艺和成本问题，现存柔性压阻传感器电极的制备主要依靠高度复杂、高消耗的工艺，如磁控溅射、硅刻蚀和金属薄膜沉积等。尤其磁控溅射需要高真空和高电压的实验条件对设备要求较高，此外磁控溅射中常用的贵重金属价格较为昂贵。故这些方法不易大规模的制备传感器电极，进而限制了它们的进一步应用。因此，寻找一种结构简单、制造工艺简单、灵敏度高的实验工艺制备可穿戴压阻传感器成为当务之急。
技术实现要素：
本发明提出了一种mxene的高灵敏度压阻传感器及制备方法，该传感器制备工艺十分简单且节能环保，同时能够实现较高的灵敏度，有很好的应用前景。
实现本发明的技术方案是：
一种mxene的高灵敏度压阻传感器，包括导电材料、柔性叉指电极和柔性敏感层，所述导电材料为一种新型二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物mxene，所述柔性叉指电极是利用叉指电极掩模版放置在任一柔性材料上并通过喷涂工艺制备mxene的柔性叉指电极，所述柔性敏感层是利用砂纸为模板得到具有表面微结构的聚氨酯（pu）柔性敏感层，并在所述pu柔性敏感层的微结构表面通过喷涂工艺制备出mxene@pu敏感层；将上述部分组装在一起后得到一种mxene的高灵敏度压阻传感器。
所述叉指电极掩模版为高精度化学腐蚀法制备的不锈钢叉指电极掩模版，可重复使用。
所述导电材料为新型二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物mxene。
所述导电材料为ti2c、v2c、mo2c、ti3c2、(v,cr)3c2、ti3(c,n)2或ti4c3中的一种或几种。
所述柔性敏感层包括聚酰亚胺、纤维素滤膜、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷或普通a4纸等柔性材料中的至少一种。
优选的，所述制备叉指电极的柔性材料为聚酰亚胺。
所述的mxene的高灵敏度压阻传感器的制备方法，步骤如下：
（1）合成导电材料mxene；
所述mxene是通过盐酸和氟化锂选择性刻蚀前驱体max相获得，所述前驱体max相中，m为过渡族金属，a主要为ⅲ族元素或ⅳ族元素，x为c元素或n元素；所述前驱体max相进一步优选为ti3alc2，故mxene为ti3c2tx纳米片；
以ti3alc2为例，具体如下：
称取0.5g前驱体(ti3alc2)将其缓慢的加入到用0.5glif和10ml75%浓度的hcl的混合溶液中，并在室温（25℃）下将磁力搅拌反应36h，然后将上述反应过后的混合液离心清洗至ph值为中性，最后一次离心的上清液应是墨绿色，标志着mxene的成功合成；将上述合成的mxene分散到一定量的去离子水中，在通入惰性气体的同时进行超声剥离1h，注意在超声剥离过程中，温度不能超过20℃，超声剥离后的mxene溶液在3500rpm下离心1h，收集的上清液便是mxene（ti3c2tx）纳米片胶体溶液；
（2）喷涂法制备mxene柔性叉指电极；
用胶带将叉指电极掩模版简单固定在聚酰亚胺柔性敏感层上，然后放置在加热台上，加热台温度设置在50~90℃并将mxene胶体溶液均匀的喷涂在其表面，待叉指电极每1厘米线阻低于5ω时，将叉指电极掩模版揭下，即可得到mxene柔性叉指电极；
（3）喷涂法制备具有表面微结构的mxene@pu敏感层；
首先，以砂纸为模板，分别在100、180、280、400、600、800目纱纸的粗糙表面浇铸pu，待pu自然晾干后，将其从砂纸表面剥离下来即可得到具有表面微结构的柔性敏感层；然后将其放置加热台上，设置为50~90℃，在其微结构表面均匀的喷涂mxene胶体溶液，直至其表面每1厘米的线阻为5~30ω之间；即可得到具有表面微结构的mxene@pu；
（4）将mxene@pu敏感层封装在柔性叉指电极表面；
使mxene@pu敏感层的微结构表面面向mxene叉指电极放置，并用胶带将其固定在叉指电极表面即可；
（5）在叉指电极的两端焊接导线，所述导线为铜线、铁线或银线，进一步优选为铜线；焊接电极的材料为铜箔或导电银浆，进一步优选为导电银浆。
所述叉指电极的叉指厚度在5~5.5um，所述mxene@pu敏感层的表面微结构可由砂纸目数调节，当两者封装为压阻传感器后，对其表面施加压力时，两者之间的导电通路增多，导致电阻减小，而输出电流增大，最终致使灵敏度大幅提高。所述叉指电极以聚酰亚胺为柔性基底，砂纸目数为280目时，制备的压阻传感器在0.3346kpa~5.6369kpa范围内灵敏度高达11812kpa-1。
本发明的有益效果是：
（1）导电材料：本发明的柔性叉指电极和微结构柔性敏感层表面的活性导电层都选用了新型二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物mxene片层材料，该材料制备过程简单、对环境无污染、成本低廉，同时具有亲水性和优异的金属导电性，且mxene纳米片机械性能优异，更适合应用于柔性压阻传感器的制备。
（2）微结构柔性敏感层：本发明选用具有高回弹性和高耐磨性的pu作为柔性敏感层，并采用砂纸作为模板制备出具有表面微结构的柔性敏感层，所用模板法操作简单，且表面微结构可以极大的提高压阻传感器的应变范围。
（3）柔性叉指电极：本发明制备柔性叉指电极采用了简单的喷涂法，该方法不仅可适用于大规模的生产制造，且改变传统制备方法叉指电极基底选择受限的问题，该方法对于任一柔性材料制备柔性叉指电极都具有可行性。该柔性叉指电极的制备具有操作简单和普适性的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述一种mxene的高灵敏度压阻传感器的制备方法的流程示意图。
图2为本发明所述前驱体ti3alc2和制备的ti3c2tx的xrd图。
图3为本发明所述喷涂法制备出的柔性叉指电极的图片。
图4为本发明所述使用不同粗糙度的砂纸制备出的mxene@pu敏感层的扫描电子显微镜微观形貌图。
图5为本发明所述柔性叉指电极为mxene-聚酰亚胺时，不同粗糙度的砂纸制备出的柔性压阻传感器的灵敏度对比图。
图6为本发明所述柔性压阻传感器在不同压强下的i-v图。
图7为本发明所述柔性压阻传感器在不同压强下的i-t图。
图8为本发明所述柔性压阻传感器的响应和恢复时间图。
图9为本发明所述柔性叉指电极为mxene-纤维素滤膜时，不同粗糙度的砂纸制备出的柔性压阻传感器的灵敏度对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种mxene的高灵敏度压阻传感器的制备方法示意图，具体包括如下步骤：
（1）合成导电材料mxene；首先称取0.5g前驱体(ti3alc2)将其缓慢的加入到用0.5glif和10ml75%浓度的hcl的混合溶液中，并在室温（25℃）下将磁力搅拌反应36h，然后将上述反应过后的混合液离心清洗至ph值为中性，最后一次离心的上清液应是墨绿色，标志着mxene的成功合成；将上述合成的mxene分散到一定量的去离子水中，在通入高纯氮气的同时进行超声剥离1h，注意在超声剥离过程中，温度不能超过20℃，超声剥离后的mxene溶液在3500rpm下离心1h，收集的上清液便是mxene（ti3c2tx）纳米片胶体溶液；
（2）喷涂法制备mxene柔性叉指电极；用胶带将叉指电极掩模版简单固定在聚酰亚胺柔性敏感层上，然后放置在加热台上，加热台温度设置在50~90℃并将mxene胶体溶液均匀的喷涂在其表面，待叉指电极每1厘米线阻低于5ω时，将叉指电极掩模版揭下，即可得到mxene-聚酰亚胺柔性叉指电极；
（3）喷涂法制备具有表面微结构的mxene@pu敏感层；首先，以砂纸为模板，分别在100、180、280、400、600、800目纱纸的粗糙表面浇铸pu，待pu自然晾干后，将其从砂纸表面剥离下来即可得到具有表面微结构的柔性敏感层；然后将其放置加热台上，在其微结构表面均匀的喷涂mxene胶体溶液，直至其表面每1厘米的线阻为5~30ω之间；即可得到具有表面微结构的mxene@pu敏感层；
（4）将mxene@pu敏感层封装在柔性叉指电极表面；使mxene@pu敏感层的微结构表面面向mxene叉指电极放置，并用胶带将其固定在叉指电极表面即可；
（5）在叉指电极的两端焊接导线；所述导线为铜线，焊接电极的材料为导电银浆。
本实施案例中，所述压阻传感器截取mxene@pu敏感层表面为1×1cm2。
图2分别为前驱体(ti3alc2)和mxene（ti3c2tx）纳米片的xrd图，从图中可以看出前驱体(ti3alc2)中的al被成功刻蚀掉。
图3（a）为实施例中的叉指电极掩模版；图3（b）和图3（c）分别为实施例中的通过叉指电极掩模版在聚酰亚胺基底上均匀喷涂mxene得到的mxene柔性叉指电极的正面和侧面。
图4为本发明所述分别用100、180、280、400、600、800目纱纸制备出的mxene@pu敏感层的扫描电子显微镜微观形貌图；可以看出随着使用砂纸目数的增加，敏感层表面的凸起逐渐变小且孔洞逐渐减少。
图5为本发明所述不同粗糙度的砂纸制备出的柔性压阻传感器的灵敏度对比图；可以看出，当柔性叉指电极为mxene-聚酰亚胺时，压阻传感器具有超高灵敏度，其中由280目砂纸制备的柔性压阻传感器在0.3346kpa~5.6369kpa范围内灵敏度高达11812kpa-1。
图6为本发明所述柔性压阻传感器在不同压强下的i-v图。
图7为本发明所述柔性压阻传感器在不同压强下的i-t图。
图8为本发明所述柔性压阻传感器的响应和恢复时间图；图中可以看出该传感器具有极快的反应速度，当受到外界压力刺激时响应时间89.6ms，恢复时间67.2ms。
实施例2
一种mxene的高灵敏度压阻传感器的制备方法示意图，具体包括如下步骤：
（1）合成导电材料mxene；首先称取0.5g前驱体(ti3alc2)将其缓慢的加入到用0.5glif和10ml75%浓度的hcl的混合溶液中，并在35℃下磁力搅拌反应36h，然后将上述反应过后的混合液离心清洗至ph值为中性，最后一次离心的上清液应是墨绿色，标志着mxene的成功合成；将上述合成的mxene分散到一定量的去离子水中，在通入高纯氩气的同时进行超声剥离1h，注意在超声剥离过程中，温度不能超过20℃，超声剥离后的mxene溶液在3000rpm下离心1h，收集的上清液便是mxene（ti3c2tx）纳米片胶体溶液；
（2）喷涂法制备mxene柔性叉指电极；用胶带将叉指电极掩模版简单固定在纤维素滤纸柔性基底上，然后放置在加热台上，加热台温度设置在50~90℃并将mxene胶体溶液均匀的喷涂在其表面，待叉指电极每1厘米线阻低于5ω时，将叉指电极掩模版揭下，即可得到mxene-纤维素滤膜柔性叉指电极；
（3）喷涂法制备具有表面微结构的mxene@pu敏感层；首先，以砂纸为模板，分别在100、180、280、400、600、800目纱纸的粗糙表面浇铸pu，待pu自然晾干后，将其从砂纸表面剥离下来即可得到具有表面微结构的柔性基底；然后将其放置加热台上，在其微结构表面均匀的喷涂mxene胶体溶液，直至其表面每1厘米的线阻为5~30ω之间；即可得到具有表面微结构的mxene@pu敏感层；
（4）将mxene@pu敏感层封装在柔性叉指电极表面；使mxene@pu敏感层的微结构表面面向mxene叉指电极放置，并用胶带将其固定在叉指电极表面即可；
（5）在叉指电极的两端焊接导线；所述导线为铜线，焊接电极的材料为导电银浆。
本实施案例中，所述压阻传感器截取mxene@pu敏感层表面为1×1cm2。
图9为本发明所述不同粗糙度的砂纸制备出的柔性压阻传感器的灵敏度对比图；可以看出当柔性叉指电极为mxene-纤维素滤膜时，压阻传感器具有超高灵敏度，其中由400目砂纸制备的柔性压阻传感器在0.2358pa~5.7715kpa范围内灵敏度高达10213kpa-1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。