基于纤维交织结构的柔性压力传感器、阵列及其制备方法与流程

1.本发明涉及柔性传感器领域，具体地，涉及一种基于纤维交织结构的柔性压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着家电、汽车、信息产业、医疗技术等领域的爆炸式发展和扩张，对柔性压力传感器的需求越来越迫切。因此，柔性压力传感器制造业如雨后春笋般兴起，形成了一个独立的领域。其中，发展具有优异的传感性能的柔性触觉传感器是长期以来需要共同努力的目标。
3.在任何情况下，压力敏感层的设计对于柔性压力传感器传感性能的关键参数都具有重要的影响。压力敏感层一般包括基体材料和导电填料，其中，常见的基体材料为聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、脂肪族芳香族无规共聚酯(ecoflex)等聚合物高分子材料，常见的导电填料一般包括低维材料如金属、金属纳米线、碳纳米管、石墨烯等，它们以优异的电学和力学性能被广泛应用。
4.然而，虽然大多数柔性压力传感器的传感性能已足够满足可穿戴器件的应用，但由于材料本身特性的限制，柔性压力传感器的高灵敏度与宽域传感范围无法兼得已经成为其发展过程中的一个难题。因此，柔性压力传感器中压力敏感层的材料选择与微工程结构设计对于提升其传感器性能，实现在宽域传感范围内的高灵敏度具有重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于纤维交织结构的柔性压力传感器及其制备方法，以解决上述现有技术中的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种基于纤维交织结构的柔性压力传感器及其制备方法，其中，该传感器包括：衬底；叉指电极，形成在所述衬底上；压力敏感层，形成在所述叉指电极上；封装层，形成在所述压力敏感层上。通过改变压力敏感层中导电填料的含量可以实现对传感器灵敏度的调节。本发明还提供了一种制造具有高传感性能的柔性压力传感器的方法，其中，该方法包括：选择合适的柔性衬底；在所述衬底上制备叉指电极；在所述叉指电极上制备纤维交织结构的压力敏感层；选择合适的柔性封装层。
7.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
8.1、本发明提供的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的设计充分利用了聚合物基体材料如聚丙烯腈(pan)纳米纤维纺丝薄膜和导电填料如mxene(ti3c2t
x
)之间的协同作用。其中，利用的气体纺丝技术与常见的静电纺丝技术相比，气纺纳米纤维膜的生产速度和安全性都有很大提高。并且，气纺纳米纤维薄膜的结构更加松散，孔隙率较高，更适合三维纤维结构的设计。同时，通过水热法选择性刻蚀max相(ti3alc2)得到的导电填料mxene(ti3c2t
x
)具有独特的手风琴状多层结构，从宏观和微观结构设计上保证了柔性压力传感器的高灵敏度和宽传感范围。
9.2、本发明提供的基于纤维交织结构的柔性压力传感器与传统压力传感器相比，其具有体积小、面积大、重量轻、柔软、性能稳定、一致性高、成本低、制备工艺简单等突出优点，适用于大规模制备和阵列集成。
10.本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
11.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
12.图1是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的结构图；
13.图2是本发明一种实施方式的制造基于纤维交织结构的柔性压力传感器的方法的流程图；
14.图3根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层聚合物基体材料的光学照片的示意图；
15.图4是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层聚合物基体材料的扫描电子显微镜(sem)照片的示意图；
16.图5是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料的扫描电子显微镜照片的示意图；
17.图6是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料的x射线衍射(xrd)的示意图；
18.图7是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料的原子力显微镜(afm)照片的示意图；
19.图8是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料与水溶剂的胶体分散液的示意图；
20.图9是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层截面的扫描电子显微镜照片的示意图；
21.图10是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层中导电填料分散的扫描电子显微镜照片的示意图；
22.图11是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层的x射线能谱分析图(eds)的示意图；
23.图12是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层的傅里叶红外变换光谱图(ftir)的示意图；
24.图13是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到外界压力时的相对电流变化示意图；
25.其中，随着压力敏感层中导电填料的增多，柔性传感器的灵敏度提高。通过改变压力敏感层中导电填料的含量可以对柔性传感器的性能进行调节。
26.图14是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到外界压力时的相对电流变化示意图；
27.图15是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到不
同外界压力时的电流随电压变化示意图；
28.图16是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到不同压力时器件的电流变化示意图；
29.图17是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的响应时间和松弛时间示意图；
30.图18是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的最小探测能力示意图；
31.图19是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到5000次压力的电流变化示意图；
32.图20是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器用于监测人体呼吸时的电流变化示意图；
33.图21是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器用于监测人体走路时的电流变化示意图；
34.图22是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器阵列用于监测羽毛划过时的电流变化示意图。
35.图23是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器阵列用于监测不同质量物体负载时的电流变化示意图。
36.附图标记说明
37.1衬底2叉指电极3压力敏感层4封装层
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
39.图1是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的结构图。
40.如图1所示，本发明一种实施方式提供的基于纤维交织结构的柔性压力传感器包括：衬底1；叉指电极2，形成在所述衬底1上；压力敏感层3，形成在所述叉指电极2上；封装层4，形成在所述压力敏感层3上。
41.其中，衬底1为聚合物薄膜，可以为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)，聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)，聚丙烯腈(pan)，聚偏氟乙烯(pvdf)，聚乳酸-羟基乙酸共聚物(plga)，聚乙烯醇(pva)，优选为聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)薄膜；衬底1的厚度范围可以在10-100μm，例如为20μm。
42.叉指电极2为图案化导电材料，可以为银(ag)、金(au)、银纳米线(ag nws)、碳纳米管(cnts)、还原氧化石墨烯(rgo)、mxene(ti3c2t
x
)，优选为银(ag)；叉指电极2的厚度范围可以为8nm-100μm，例如为300nm；叉指电极的线宽及线间相邻间距范围可以为50μm-1mm，例如为200μm。
43.压力敏感层3为由聚合物基体材料和导电填料复合而成的纤维交织结构，其中，基体材料可选用多孔海绵、泡沫、聚合物纳米纤维纺丝薄膜、多孔硅橡胶、多孔树脂等，优选为聚丙烯腈(pan)纳米纤维纺丝薄膜。其中，纳米纤维的直径为100nm-300nm。压力敏感层的导
电填料的材料可以为银(ag)、金(au)、银纳米线(ag nws)碳纳米管(cnts)等，也可以为还原氧化石墨烯(rgo)、二维无机化合物(mxene)，优选为二维无机化合物(mxene)。
44.封装层4的作用是保护器件结构，为器件可选的部分，不是必须设置的部分。封装层4可以为热塑性聚合物材料薄膜，如聚氨酯弹性体橡胶(tpu)、聚酰亚胺(pi)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚丙烯腈(pan)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚乙烯醇(pva)薄膜等，优选为聚酰亚胺(pi)薄膜。
45.根据本发明一种实施方式，衬底1、封装层4选用的是商业购买的聚合物薄膜，选用聚合物薄膜作为衬底和封装层的原因是其具有优异的耐久性、可靠性、高强度、高韧性、防水性、生物兼容性，适合作为基于电阻型结构的压力传感器的衬底和封装层。
46.根据本发明一种实施方式，叉指电极2选用的是以紫外光刻技术和磁控溅射技术获得的图案化导电层，选用紫外光刻技术的原因是此技术获得的电极图案内部导电沟道小分辨率高，生产效率高，工艺简单，适合工业化生产；选用磁控溅射技术的原因是此技术获得的电极附着力强，镀膜面积大，均匀性好，厚度易于控制，设备操作简单，适合用于制备基于电阻型结构的压力传感器的电极层。
47.根据本发明一种实施方式，压力敏感层3选用的是聚丙烯腈(pan)纳米纤维纺丝薄膜和二维无机化合物mxene(ti3c2t
x
)的复合薄膜。选择基体材料和导电填料的原因是，pan纳米纤维纺丝薄膜稳定性好，耐热性强，阻燃性好，合成简单；mxene(ti3c2t
x
)亲水性好，导电性高，化学组成可调，具有多层结构。其中，聚丙烯腈(pan)纳米纤维纺丝薄膜通过气体纺丝技术制备，产物简称为气纺纳米纤维，选用此技术的原因是气体纺丝技术生产纳米纤维的速度快，产量大，安全性高，气纺纳米纤维表现出更疏松的结构，具有较高的孔隙率，更适合三维纤维结构的设计。二维无机化合物mxene(ti3c2t
x
)由水热法选择性刻蚀max相(ti3alc2)得到，采用此方法的原因是设备简单，刻蚀速率高，选择性高。
48.根据本发明一种实施方式，所述压力敏感层可以对压力进行响应，这是因为随着对器件施加的压力增大，压力敏感层的层间距减小，形成的导电通道数量增多，从而使压力敏感层的电阻减小，相对应的电流增大，电流相对变化的大小反应施加的压力大小。
49.本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的制备方法，参考图2的流程图，制备方法包括：
50.s100，提供聚合物薄膜衬底；
51.s102，在所述衬底上制备叉指电极；
52.s104，在所述叉指电极上制备压力敏感层，所述压力敏感层为由聚合物基体材料和导电填料复合而成的纤维交织结构；
53.s106，在所述压力敏感层上制备封装层；
54.s108，集成柔性压力传感器；
55.在该方法中，步骤s104包括：
56.s1040，利用气体纺丝技术获得压力敏感层中的聚合物基体材料的纳米纤维纺丝薄膜，厚度大约为113.3μm；
57.具体的，聚合物基体材料为聚丙烯腈(pan)纳米纤维纺丝薄膜；纳米纤维的直径为100-300μm。
58.s1042，通过水热法选择性刻蚀max相(ti3alc2)得到压力敏感层的导电填料mxene
(ti3c2t
x
)；
59.s1044，在聚合物基体材料的纳米纤维纺丝薄膜上用高压喷枪喷涂导电填料，以此作为压力敏感层；
60.具体的，在聚丙烯腈(pan)纳米纤维纺丝薄膜上用高压喷枪喷涂导电填料mxene(ti3c2t
x
)或者还原氧化石墨烯作为压力敏感层。
61.其中，作为衬底和封装层的聚合物薄膜分别优选为聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)薄膜和聚酰亚胺(pi)薄膜；作为叉指电极的导电材料优选为金属银(ag)；作为压力敏感层的基体材料和导电填料分别优选为聚丙烯腈(pan)纳米纤维纺丝薄膜和mxene(ti3c2t
x
)。
62.图3根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层聚合物基体材料的光学照片的示意图，其具有规则排列的圆柱体结构；
63.图4是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层聚合物基体材料的扫描电子显微镜(sem)照片的示意图，其纤维分布均匀，无串珠，直径为100-300μm；
64.图5是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料的扫描电子显微镜照片的示意图，具有类似于手风琴状的多层结构，结构稳定且具有金属性质；
65.图6是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料的x射线衍射(xrd)的示意图，mxene(ti3c2t
x
)的强衍射峰消失，经过处理后，al原子层几乎被完全刻蚀；
66.图7是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料的原子力显微镜(afm)照片的示意图，mxene(ti3c2t
x
)在水溶液中超声分散后的薄片厚度大约为1.748nm；
67.图8是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层导电填料与水溶剂的胶体分散液的示意图，mxene(ti3c2t
x
)胶体在波长为395nm的激光照射下表现出丁达尔效应，这有助于均质膜的制备；
68.图9是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层截面的扫描电子显微镜照片的示意图，具有纤维交织结构，厚度大约为113.3μm；
69.图10是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层中导电填料分散的扫描电子显微镜照片的示意图，mxene(ti3c2t
x
)在聚丙烯腈(pan)纳米纤维纺丝薄膜中的分布紧密而均匀；
70.图11是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层的x射线能谱分析图(eds)的示意图，ti、c和o元素分布均匀，mxene(ti3c2t
x
)均匀分布在聚丙烯腈(pan)纳米纤维纺丝薄膜中，并且mxene(ti3c2t
x
)表面有一定数量的-f官能团连接；
71.图12是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的压力敏感层的傅里叶红外变换光谱图(ftir)的示意图，mxene(ti3c2t
x
)/pan纳米纤维薄膜中波数为2928cm-1
、2241cm-1
、1728cm-1
和1447cm-1
的吸收峰分别对应c-h、c＝n、c＝o和c-h键的伸缩振动，这与pan纳米纤维薄膜和mxene(ti3c2t
x
)的光谱一致，从多个角度证明了作为灵敏层的mxene(ti3c2t
x
)/pan纳米纤维薄膜复合膜的成功制备；
72.图13是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到外界压力时的相对电流变化示意图；
73.其中，随着压力敏感层中导电填料的增多，柔性传感器的灵敏度提高。通过改变压力敏感层中导电填料的含量可以对柔性传感器的性能进行调节。本发明中，压力敏感层中导电填料的含量范围为10wt％-60wt％，优选为44wt％。
74.图14是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到外界压力时的相对电流变化示意图，随着压力的增大，电流逐渐增大；
75.图15是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到不同外界压力时的电流随电压变化示意图，随着压力的增大，器件表现出良好的欧姆接触；
76.图16是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到不同压力时器件的电流变化示意图，随着压力的增大，电流变化值显著增大，说明传感器可以对宽的压力范围进行压力传感；
77.图17是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的响应时间和松弛时间示意图，说明传感器对压力响应灵敏；
78.图18是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器的最小探测能力示意图；
79.图19是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器受到5000次压力的电流变化示意图，从图中可以看出，传感器的电流并未发生显著变化，性能在长期使用过程中较为稳定。
80.图20是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器用于监测人体呼吸时的电流变化示意图，该柔性压力传感器可检测到人体呼吸频率；可以将本发明的传感器设置在口罩等上作为呼吸传感器。
81.图21是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器用于监测人体走路时的电流变化示意图，该传感器可以检测到人体行走速度；因此，本发明还可以提供一种行走速度传感器，包含本发明的传感器，可以将该传感器设置在前脚掌或者脚跟踩踏位置，在行走时压力作用下产生相应的电流信号，实现行走速度传感。
82.图22是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器阵列，包括多个上述的压力传感器，按照预设的阵列方式排列，可以对依次划过的压力进行传感，图22中用于监测羽毛划过传感器阵列时的电流变化示意图，该柔性压力传感阵列可以对微小动态压力做出响应，且各像素点具有一致性。传感器阵列中，多个传感器可以共用衬底和压力敏感层，即多个传感器的衬底和压力敏感层为整体。
83.图23是根据本发明一种实施方式的基于纤维交织结构的柔性压力传感器阵列用于监测不同质量物体负载时的电流变化示意图，该柔性压力传感阵列可以对微小静态压力做出响应，且各像素点具有一致性。该结果表明，该压力传感器阵列还可以作为物体静态压力分布情况传感器，当物体放置在该压力传感器阵列上时，每个传感器对受到的压力进行传感，可以作为物体的静态压力分布传感，给出物体不同部位的压力分布情况。
84.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
85.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。