一种复合结构的交流阻抗谱式压力传感器

1.本发明涉及压力传感器技术领域，具体为一种复合结构的交流阻抗谱式压力传感器。


背景技术：

2.传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
3.压力传感器(pressure transducer)是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。
4.由于柔性电子在无线健康监测，传感器网络，新型人机交互等领域具有巨大的应用前景。近年来，柔性电子领域蓬勃发展，吸引了科技界和产业界的广泛关注。压力感知是柔性电子领域中极其重要的研究方向。而电容式的压力传感器，因为其制造简单，功耗低，成为了实现压力传感的一个重要设计方向。而提高电容式传感器的灵敏度一直是广大从业人员所追求的目标之一。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种复合结构的交流阻抗谱式压力传感器，以解决上述背景技术中提出的如何提高电容式传感器的灵敏度的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种复合结构的交流阻抗谱式压力传感器，该基于pedot/pss-氧化石墨烯-纳米金刚石复合结构的交流阻抗谱式压力传感器是由保护层、导电层、介电层和纳米金刚石材料层组成，所述保护层为两组呈上下对称设置，所述导电层为两组呈上下对称设置，上端所述导电层的顶部与上端所述保护层的底部相接触，下端所述导电层的底部与下端所述保护层的顶部接触，所述介电层设置在所述纳米金刚石材料层的顶部，所述导电层分布在所述介电层的顶部和所述纳米金刚石材料层的底部。
7.优选的，所述保护层为聚合物隔离膜。
8.优选的，所述聚合物隔离膜材质为聚乙烯醇，聚二甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酰胺，纤维素和壳聚糖其中的一种。
9.优选的，所述导电层为pedot/pss接触材料。
10.优选的，所述介电层为氧化石墨烯材料层。
11.优选的，所述氧化石墨烯薄膜厚度为10nm-10μm。
12.优选的，所述聚合物隔离膜厚度为1-5μm。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该种基于pedot/pss-氧化石墨烯-纳米金刚石复合结构的交流阻抗谱式压力传感器，通过双电层电容效应，传感器可以在承受比较小应变情况下，实现高灵敏的压力测量。
附图说明
14.图1为本发明结构示意图；
15.图2为本发明测试结果示意图。
16.图中：1保护层、2导电层、3介电层、4纳米金刚石材料层。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本发明提供一种复合结构的交流阻抗谱式压力传感器，通过双电层电容效应，传感器可以在承受比较小应变情况下，实现高灵敏的压力测量，请参阅图1，保护层1、导电层2、介电层3和纳米金刚石材料层4；
19.请参阅图1，该基于pedot/pss-氧化石墨烯-纳米金刚石复合结构的交流阻抗谱式压力传感器是由保护层1、导电层2、介电层3和纳米金刚石材料层4组成，保护层1为两组呈上下对称设置，导电层2为两组呈上下对称设置，上端导电层2的顶部与上端保护层1的底部相接触，下端导电层2的底部与下端保护层1的顶部接触，介电层3设置在纳米金刚石材料层4的顶部，导电层2分布在介电层3的顶部和纳米金刚石材料层4的底部，保护层1为聚合物隔离膜，聚合物隔离膜材质为聚乙烯醇，聚二甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酰胺，纤维素和壳聚糖其中的一种，导电层2为pedot/pss接触材料，介电层3为氧化石墨烯材料层，氧化石墨烯薄膜厚度为10nm-10μm，聚合物隔离膜厚度为1-5μm，在承受外力时，pedot/pss电极与氧化石墨烯膜之间的接触面积会增大，从而导致表面电荷密度提升电容值变大，晶界容抗发生变化，当外力撤除时，表面电荷密度将会回复原状，聚合物隔离膜为传感器的保护层，不参与导电机制，pedot/pss与聚合物隔离膜具有较好的贴合性，可以为后期柔性和实体应用提供良好的机械性能，夹层中氧化石墨烯和纳米金刚石复合层提供交直流信号激励下的阻抗和容抗响应，以用于压力大小的感应，通过对其电信号响应的计算可以得到相对应的压力大小，得益于双电层电容效应，传感器可以在承受比较小应变情况下，实现高灵敏的压力测量，介电层表面的电荷密度随着接触面积的增加而变大，因此本发明所述的压力传感器可以拥有优良的传感性能，本发明所属的压力传感器测量原理，不同于普通直流电容式，或电阻式压力传感器的基本工作原理，其基本原理来自于交流电阻抗测试方法；
20.请参阅图2，图2为一种基于基于pedot/pss-氧化石墨烯-纳米金刚石复合结构的交流阻抗谱式压力传感器的测试结果(a)和工作原理(b)，测量设备覆盖频率典型值在100hz-10mhz之间，zre与zim表示由测试得到数据的阻抗值，其中zre为实部，zim为虚部，其中：
①
为实际测试数据；
②
为分析方法：
②‑
1为晶界阻抗拟合值；
②‑
2为肖特基接触阻抗；
②‑
3为晶内阻抗拟合值；
21.pedot/pss电极为两层，氧化石墨烯离子介电层、聚合物隔离膜被两层电极夹在中间，由于pedot/pss、氧化石墨烯以及聚合物均为水溶性，传感器薄膜可以通过真空抽滤法叠层获得，在抽滤过程中，控制前驱液体的浓度和体积就可以控制薄膜的厚度，抽滤的顺序依次为：pedot/pss、氧化石墨烯、聚合物、pedot/pss，得益于真空抽滤，这些薄膜都可以自
动平整对齐。
22.实施例1
23.第一步，首先将0.1g pedot/pss分散在10ml的去离子水中配置成10mg/ml的分散液；5mg的氧化石墨烯粉末分散在10ml的去离子水中；配置成0.5mg/ml的分散液，0.1g的pva分散于10ml的去离子水中，配置成10mg/ml的分散液；
24.第二步，分别取1ml的上述分散液，与100ml的去离子水混合后依次倒入抽滤瓶中抽滤几分钟后，形成pedot/pss、氧化石墨烯、pva、pedot/pss依次堆叠的形态；
25.薄膜完全干燥8小时后，将其整体从滤膜上剥离下来，并切割成需要的形状。
26.实施例2
27.制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用壳聚糖作为聚合物隔离膜，所制得的传感器结构类似于图1。
28.实施例3
29.制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用纤维素作为聚合物隔离膜，所制得的传感器结构类似于图1。
30.实施例4
31.制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用pam作为聚合物隔离膜，所制得的传感器结构类似于图1。
32.实施例5
33.制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用pdms作为聚合物隔离膜，所制得的传感器结构类似于图1。
34.虽然在上文中已经参考实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。