超级电容多模式传感器的制作方法

【】本发明涉及柔性传感器的，特别是以导电多孔石墨烯片薄膜为电极材料的超级电容多模式传感器的。

背景技术

0、
背景技术：

1、人体皮肤不仅是人体器官的保护壳，还是人体生存所需的信号系统，其带有各种感受器以感受外界刺激(如捏、扭或推等触觉)和温度。电子皮肤(e-skins)是一种模仿人体皮肤的柔性电子器件，通常由轻薄、透明、柔性且可拉伸的材料制成，能够非常方便地贴合于类人机器人、假肢和可穿戴设备等物体的表面，从而辅助感知压力和温度等外界环境刺激，实现人工触觉。然而，传统的电子皮肤通常仅能够分别检测外界应力或温度，无法像人体皮肤一样同时识别外界应力和温度。

2、超级电容器通常包括电极材料层以及夹在两层电极材料层之间的电解质层，既具有电容式感应，又具有离子输运式感应，在多模式传感领域应用之中具有相当的潜力。在高频区域测量超级电容器的电容，能够得到超级电容器的电容式感应，而在中频区域测量超级电容器的电阻再计算器件的电荷弛豫时间τ＝rc，则可得到超级电容器的离子输运式感应。因此，通过对单一超级电容器的测量，可同时得到超级电容器对温度和应力的响应。此外，超级电容器对温度的响应来源于电解质层随着温度性能的变化，而对应力的响应则来源于电极材料层在应力下电阻的变化。近期，斯坦福大学的鲍哲南团队以及浦项科技大学的unyong jeong团队基于此共同发表了论文《artificial multimodal receptors basedon ion relaxation dynamics》，并创新性地利用离子弛豫动力学原理，同时以简单的双电极电容的结构，制作出了能够实现对温度和应力同时响应的柔性传感器。将此种传感器做成10*10的阵列，即可实现像人类皮肤一样具有温感和触感的电子皮肤。然而，此种柔性传感器的对应力响应的电极材料包括银线和pdms的混合，整个制作十分复杂，不宜调制，难以真正地大规模推广使用。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出超级电容多模式传感器，能够实现单一器件的多模式感应，并且温度和应力响应曲线均可经由调节导电多孔石墨烯片薄膜电极材料的厚度以完成调制，设计制作简单，器件性能稳定，容易调制，经济实用。

2、为实现上述目的，本发明提出了超级电容多模式传感器，包括固态电解质层、导电多孔石墨烯片薄膜以及集流体，所述固态电解质层设置于上下两层导电多孔石墨烯片薄膜之间，位于上方的导电多孔石墨烯片薄膜的顶面以及位于下方的导电多孔石墨烯片薄膜的底面分别设有集流体。其中，器件的电容由导电多孔石墨烯片薄膜和固态电解质层界面的超级电容双电容层决定。如此设计，可使器件的电容和电阻能够同时对温度和应力进行响应，从而实现多模式感应，并且性能稳定，可重复制备。此外，由于器件对温度和应力的响应曲线会随着导电多孔石墨烯片薄膜的厚度而发生变化，从而可通过调节导电多孔石墨烯片薄膜层的厚度以调制温度和应力的多模式感应响应曲线。

3、作为优选，所述固态电解质层为含有离子液体的平坦固态电解质基体、离子凝胶型固态电解质或固态电解质薄膜，对温度响应较大，可提高器件对温度检测的灵敏性。

4、更进一步的，所述含有离子液体的平坦固态电解质基体之中的离子液体的重量含量为2.5～7.5％。

5、再进一步的，所述含有离子液体的平坦固态电解质基体由电解质基液烘干所得，所述电解质基液包括重量份数为0.5～1份的e-pvdf-hfp(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)、0.02～0.05份的emim-tfsi(1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐)以及2.5～7.5份的有机溶剂。

6、作为优选，所述导电多孔石墨烯片薄膜的厚度范围为250nm～200μm。

7、作为优选，所述导电多孔石墨烯片薄膜由石墨烯片堆叠而成。如此设计，可使导电多孔石墨烯片薄膜的内部具有多孔隙，能够在被施加应力时产生形变，从而使器件的电阻对应力产生响应。

8、更进一步的，所述石墨烯片为单层石墨烯片或多层石墨烯片。

9、作为优选，所述导电多孔石墨烯片薄膜由石墨烯水系分散液真空抽滤而得。

10、更进一步的，所述石墨烯水系分散液之中含有表面活性剂且表面活性剂与石墨烯的重量比为0.5～1.5：5。

11、作为优选，所述集流体为铜箔。相对于传统的超级电容而言，增设的集流体能够将导电多孔石墨烯片薄膜产生的电流汇集起来，以便器件形成较大的电流并对外输出。

12、本发明的有益效果：

13、本发明采用导电多孔石墨烯片薄膜作为超级电容器的电极材料层，可在被施加应力时使导电多孔石墨烯片薄膜产生形变，从而使器件电阻随着应力而变化，最终实现器件在对温度响应的同时对应力响应，达到单一器件的多模式感应，并且温度和应力响应曲线均可经由调节导电多孔石墨烯片薄膜电极材料的厚度以完成调制，设计制作简单，器件性能稳定，容易调制，经济实用。

14、本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

技术特征：

1.超级电容多模式传感器，其特征在于：包括固态电解质层(1)、导电多孔石墨烯片薄膜(2)以及集流体(3)，所述固态电解质层(1)设置于上下两层导电多孔石墨烯片薄膜(2)之间，位于上方的导电多孔石墨烯片薄膜(2)的顶面以及位于下方的导电多孔石墨烯片薄膜(2)的底面分别设有集流体(3)。

2.如权利要求1所述的超级电容多模式传感器，其特征在于：所述固态电解质层(1)为含有离子液体的平坦固态电解质基体、离子凝胶型固态电解质或固态电解质薄膜。

3.如权利要求2所述的超级电容多模式传感器，其特征在于：所述含有离子液体的平坦固态电解质基体之中的离子液体的重量含量为2.5～7.5％。

4.如权利要求3所述的超级电容多模式传感器，其特征在于：所述含有离子液体的平坦固态电解质基体由电解质基液烘干所得，所述电解质基液包括重量份数为0.5～1份的e-pvdf-hfp、0.02～0.05份的emim-tfsi以及2.5～7.5份的有机溶剂。

5.如权利要求1所述的超级电容多模式传感器，其特征在于：所述导电多孔石墨烯片薄膜(2)的厚度范围为250nm～200μm。

6.如权利要求1所述的超级电容多模式传感器，其特征在于：所述导电多孔石墨烯片薄膜(2)由石墨烯片堆叠而成。

7.如权利要求6所述的超级电容多模式传感器，其特征在于：所述石墨烯片为单层石墨烯片或多层石墨烯片。

8.如权利要求1所述的超级电容多模式传感器，其特征在于：所述导电多孔石墨烯片薄膜(2)由石墨烯水系分散液真空抽滤而得。

9.如权利要求8所述的超级电容多模式传感器，其特征在于：所述石墨烯水系分散液之中含有表面活性剂且表面活性剂与石墨烯的重量比为0.5～1.5：5。

10.如权利要求1所述的超级电容多模式传感器，其特征在于：所述集流体(3)为铜箔。

技术总结
本发明公开了超级电容多模式传感器，包括固态电解质层、导电多孔石墨烯片薄膜以及集流体，所述固态电解质层设置于上下两层导电多孔石墨烯片薄膜之间，位于上方的导电多孔石墨烯片薄膜的顶面以及位于下方的导电多孔石墨烯片薄膜的底面分别设有集流体。本发明采用导电多孔石墨烯片薄膜作为超级电容器的电极材料层，可在被施加应力时使导电多孔石墨烯片薄膜产生形变，从而使器件电阻随着应力而变化，最终实现器件在对温度响应的同时对应力响应，达到单一器件的多模式感应，并且温度和应力响应曲线均可经由调节导电多孔石墨烯片薄膜电极材料的厚度以完成调制，设计制作简单，器件性能稳定，容易调制，经济实用。

技术研发人员：周阳辛,尹春凤,安云,应朝晖
受保护的技术使用者：绍兴隆泰石墨烯科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13