柔性自驱动压力传感器及其制备方法与流程

本发明涉及柔性传感器的，尤其涉及一种柔性自驱动压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，模拟人类皮肤功能属性的电子皮肤逐渐称为研究热点之一，尤其是感知压力或应变的触觉传感器，能够实现从机械刺激到电信号的高效转换，在人机交互、智能机器人以及生物医疗等领域有着重要的应用前景。基于传统硅基mems电容和电阻式压力传感器，不仅存在不能与曲面待测表面相兼容的问题，且其无源特性也是需要一定能耗，与碳中和理念相违背。

2、摩擦效应是指在外界作用力下，两种不同材料相互接触和分离，在接触界面处产生电荷的转移，由于摩擦起电和静电感应的耦合，在背面电极处产生电荷的流动。因此，基于摩擦效应的触觉传感器，在外界作用力的情况下，不仅可以作为一个能源收集器，将周围产生的机械能转换成为电能存储起来，还可以依据产生的电信号作为自驱动触觉传感器。

3、现有技术中公开了一种alk-ti3c2/pdms柔性压阻传感器的制备方法，通过将硅胶混合液覆盖在具有凸起结构的砂布上，从而得到第一pdms薄膜，在第一pdms薄膜上覆盖全氟硅氧烷后再覆盖一层硅胶混合液并固化，得到第二pdms薄膜，在第二pdms薄膜上覆盖alk-ti3c2。

4、然而，现有技术中提供的柔性压阻传感器的表面形态不规则，器件一致性和可重复性差，且传统的柔性电阻式和电容式压力传感器，在工作时都需要外部电能输入，这就大大限制了其使用场景和使用寿命。因此，亟需提供一种方案改善上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种柔性自驱动压力传感器及其制备方法，能够探测较小压力，稳定性好并且响应速度快，无需外部电能输入，同时工艺简单、可重复性强，在柔性可穿戴电子，生物医疗和智能软体机器人上有着较好的应用前景。

2、第一方面，本发明提供的一种柔性自驱动压力传感器，采用如下的技术方案：

3、包括从底部至顶部依次层叠设置的底部封装部、摩擦电压力传感部和顶部封装部；

4、所述摩擦电压力传感部包括层叠设置的mxene基硅胶层和压力摩擦层；

5、所述mxene基硅胶层靠近所述压力摩擦层的一侧一体成型有多个mxene基硅胶微结构块和多个mxene基隔离壁，多个所述mxene基隔离壁相对远离所述mxene基硅胶层的一端与所述压力摩擦层相互抵触，多个所述mxene基硅胶微结构块位于所述mxene基硅胶层与所述压力摩擦层之间；

6、所述mxene基硅胶微结构块靠近所述压力摩擦层的一侧呈尖端设置；

7、所述mxene为max相移除主族元素后形成的具有二维结构的材料；

8、所述max相为mn+1axn，其中n等于1、2和3中的任一个，所述m为过渡金属元素，所述a为主族元素，所述x为碳元素或氮元素。

9、本发明提供的柔性自驱动压力传感器的有益效果在于：摩擦电压力传感部通过压力使得压力摩擦层与mxene基硅胶层相互摩擦，从而在压力摩擦层与mxene基硅胶层的接触界面产生电荷的转移，并通过底部封装部和顶部封装部将电信号传输至外部，从而无需外部电能的输入；mxene基硅胶层上的多个mxene基硅胶微结构块靠近压力摩擦层的一侧呈尖端设置，因此当mxene基硅胶微结构块与压力摩擦层进行接触时，mxene基硅胶微结构块与压力摩擦层的接触面积的变化率增加，有效提高了摩擦电压力传感部对压力探测的灵敏度，使得摩擦电压力传感部能够检测微小的压力变化；并且，本发明提供的压力传感器无需额外电源供电，能够实现器件的低功耗化和小型化，结构稳定，易于阵列化，在可穿戴电子、智能机器人和柔性设备上有着广泛的应用前景。

10、可选的，多个所述mxene基硅胶微结构块阵列设置在所述mxene基硅胶层上。

11、可选的，多个所述mxene基硅胶微结构块从阵列中心向阵列四周的第一尺寸依次减小；所述第一尺寸为所述mxene基硅胶微结构块端部与所述mxene基硅胶层的垂直距离。

12、可选的，多个所述mxene基硅胶微结构块的第一尺寸均相等；所述第一尺寸为所述mxene基硅胶微结构块端部与所述mxene基硅胶层的垂直距离。

13、第二方面，本发明提供的一种柔性自驱动压力传感器的制备方法，采用如下的技术方案，包括以下步骤：

14、制备微结构树脂模板；

15、制备mxene基硅胶混合物；

16、将所述mxene基硅胶混合物覆盖在所述微结构树脂模板上，固化后剥离得mxene基硅胶层；

17、拼合所述mxene基硅胶层与压力摩擦层得摩擦电压力传感部；

18、拼合所述摩擦电压力传感部与底部封装部和顶部封装部。

19、本发明提供的柔性自驱动压力传感器的制备方法的有益效果在于：预先制备微结构树脂模板，能够根据所需要的mxene基硅胶层的结构形态对微结构树脂模板进行调整，提高了mxene基硅胶层的可定制化程度，并且能够使用于批量化的制备生产，可重复性强。

20、可选的，执行制备mxene基硅胶混合物的步骤中包括以下步骤：制备mxene粉末；将所述mxene粉末与硅胶基体混合均匀后制得mxene基硅胶混合物；其中所述mxene粉末占所述硅胶基体的重量百分比为2％-10％。将mxene粉末与硅胶基体进行混合后，使得mxene粉末在硅胶基体中混合均匀，能够增强摩擦效应，从而提高压力传感器的基本性能。

21、可选的，所述mxene粉末为ti3c2f2粉末。含f基团的mxene的电负性更优，能够有效地提高摩擦电压力传感部的输出，提高摩擦电压力传感部对压力的灵敏度。

22、可选的，执行制备mxene粉末的步骤中包括，将ti3alc2-max前驱体加入1-3m的氢氟酸溶液中反应10-20min后，滤出干燥并研磨，得mxene粉末。将ti3alc2-max前驱体加入至低浓度的hf溶液中，能够提高制备生产时的安全性，制备得到含f基团的mxene的电负性更优，能够有效地提高摩擦电压力传感部的输出，提高摩擦电压力传感部对压力的灵敏度。

23、可选的，执行将所述mxene基硅胶混合物覆盖在所述微结构树脂模板上，固化后剥离得mxene基硅胶层的步骤中包括：将所述mxene基硅胶混合物覆盖在所述微结构树脂模板上，置于真空环境中静置25-35min后，烘干固化后剥离得mxene基硅胶层。将mxene基硅胶混合物覆在微结构树脂模板后，在真空环境中能够除去mxene基硅胶混合物与微结构树脂模板之间的气体，使得mxene基硅胶混合物与微结构树脂模板充分贴合，进而mxene基硅胶混合物固化得到mxene基硅胶层后，mxene基硅胶层上即形成有微结构树脂模板上的微结构。

24、可选的，所述mxene基硅胶混合物的质量与所述微结构树脂模板表面积比值为0.1g/cm2-0.3g/cm2。

技术特征：

1.一种柔性自驱动压力传感器，其特征在于，包括从底部至顶部依次层叠设置的底部封装部、摩擦电压力传感部和顶部封装部；

2.根据权利要求1所述的柔性自驱动压力传感器，其特征在于，多个所述mxene基硅胶微结构块阵列设置在所述mxene基硅胶层上。

3.根据权利要求2所述的柔性自驱动压力传感器，其特征在于，多个所述mxene基硅胶微结构块从阵列中心向阵列四周的第一尺寸依次减小；所述第一尺寸为所述mxene基硅胶微结构块端部与所述mxene基硅胶层的垂直距离。

4.根据权利要求1所述的柔性自驱动压力传感器，其特征在于，多个所述mxene基硅胶微结构块的第一尺寸均相等；所述第一尺寸为所述mxene基硅胶微结构块端部与所述mxene基硅胶层的垂直距离。

5.一种柔性自驱动压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的柔性自驱动压力传感器的制备方法，其特征在于，执行制备mxene基硅胶混合物的步骤中包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的柔性自驱动压力传感器的制备方法，其特征在于，所述mxene粉末为ti3c2f2粉末。

8.根据权利要求6所述的柔性自驱动压力传感器的制备方法，其特征在于，执行制备mxene粉末的步骤中包括，将ti3alc2-max前驱体加入1-3m的氢氟酸溶液中反应10-20min后，滤出干燥并研磨，得mxene粉末。

9.根据权利要求5所述的柔性自驱动压力传感器的制备方法，其特征在于，执行将所述mxene基硅胶混合物覆盖在所述微结构树脂模板上，固化后剥离得mxene基硅胶层的步骤中包括：

10.根据权利要求9所述的柔性自驱动压力传感器的制备方法，其特征在于，所述mxene基硅胶混合物的质量与所述微结构树脂模板表面积比值为0.1g/cm2-0.3g/cm2。

技术总结
本发明提供了一种柔性自驱动压力传感器及其制备方法，涉及柔性传感器的技术领域。压力传感器包括依次层叠设置的底部封装部、摩擦电压力传感部和顶部封装部；摩擦电压力传感部包括层叠设置的MXene基硅胶层和压力摩擦层；MXene基硅胶层上靠近所述压力摩擦层的一侧成型有多个MXene基硅胶微结构块和多个MXene基隔离壁，多个MXene基隔离壁另一端与压力摩擦层相互抵触，多个MXene基硅胶微结构块位于MXene基硅胶层与压力摩擦层之间；MXene基硅胶微结构块靠近压力摩擦层的一侧呈尖端设置。本发明提供的压力传感器可以探测较小压力，并且稳定性好响应速度快，无需外部电能输入，同时工艺简单、可重复性强，在柔性可穿戴电子，生物医疗和智能软体机器人上有着较好的应用前景。

技术研发人员：陶娟,丁士进,朱宝
受保护的技术使用者：嘉善复旦研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13