一种柔性力学传感器及其制备方法和应用

本发明涉及传感器，尤其涉及一种柔性力学传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、柔性力学传感器因具有足够的机械柔性，能够以合适的形状贴敷到弯曲的被测表面，并且能够对形变产生良好的信号响应，成为前沿领域研究的核心要素。该类传感器目前已报道的制备方法产出了一些极具创新性的成果，但是，这些制备方法成本较高、制备原料单一、制备过程相对复杂，在灵敏度、响应时间及稳定性等方面都有待提高。目前，大多数柔性力学传感器以拉力或者压力传感为主，受力时会产生导线断裂、引线互连接口断开、功能结构断裂或者堆叠、功能单元与柔性衬底脱落等问题。而且环境扰动会导致传感结构的低载荷传感性能差、寿命较短、不易重复使用等。随着导电离子水凝胶为代表的具有一定自愈合功能的感知材料问世，这类可修复感知层内部微观结构的具有高流动性的载体材料能有效避免由于堆叠(或断裂)积聚引起的故障。同时，导电离子水凝胶的引入为柔性力学传感器的结构和材料设计提供新的方案，并为进一步研制以导电离子扩散型低载荷状态下的柔性力学传感器提供研究基础。因此，最近几年柔性力学传感器吸引了越来越多研究者的兴趣，并有望成为可穿戴智能设备、个性化健康监测、柔性电子、人机交互系统等领域研究的新热点。为了能够实现更大的集成，制备导电离子扩散性好、性能稳定的柔性力学传感器是人工智能发展的必然趋势。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种柔性力学传感器及其制备方法和应用，所述柔性力学传感器具有导电离子扩散性好、应变敏感性好、环境稳定性好以及成本低廉的优点。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种基于导电离子水凝胶的柔性力学传感器，包括依次层叠设置的第一铜集流体层6、第一导电金属-有机框架层5、导电离子水凝胶层4、第二导电金属-有机框架层3和第二铜集流体层2；

4、还包括位于所述第一铜集流体层6表面的第一丝印微纳米铜电极层7和位于所述第二铜集流体层2表面的第二丝印微纳米铜电极层1。

5、优选的，所述第一铜集流体层6和第二铜集流体层2均为在pet基材表面镀铜的复合层。

6、优选的，所述第一导电金属-有机框架层5和第二导电金属-有机框架层3均为包括co-mof和石墨烯的复合膜；

7、所述包括co-mof和石墨烯的复合膜中石墨烯含量为10～20wt％。

8、优选的，所述第一导电金属-有机框架层5和第二导电金属-有机框架层3的制备方法包括以下步骤：

9、将苯并咪唑的n,n-二甲基甲酰胺溶液和硝酸钴的n,n-二甲基甲酰胺溶液混合后，加入石墨烯，进行溶剂热反应，得到co-mof与石墨烯的复合前驱体溶液；

10、在所述co-mof与石墨烯的复合前驱体溶液中垂直插入除上表面均密封的第一铜集流体层6和除下表面均密封的第二铜集流体层2进行晶化处理，去除所述第一铜集流体层6和第二铜集流体2中的密封层，分别得到所述第一导电金属-有机框架层5和第二导电金属-有机框架层3；所述上表面为在第一铜集流体层6上生长第一导电金属-有机框架层6的一侧，所述下表面为在第二铜集流体层2上生长第二导电金属-有机框架层3的一侧。

11、优选的，所述导电离子水凝胶层4的材料包括离子液体和离子凝胶载体；

12、所述离子液体和离子凝胶载体的质量比为100：(5～25)。

13、优选的，所述离子液体为咪唑类离子液体、吡啶类离子液体、季铵盐类离子液体和季鏻盐类离子液体中的一种或多种；

14、所述离子凝胶载体为n，n-二甲基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸和衣康酸中的一种或多种。

15、优选的，所述导电离子水凝胶层4的制备方法包括以下步骤：

16、将离子液体和离子凝胶载体混合，加入引发剂和交联剂，将得到的混合液固化成膜，得到所述导电离子水凝胶层；

17、所述引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠，所述引发剂与离子凝胶载体的比例为1‰～10‰；

18、所述交联剂包括二乙烯基苯、二异氰酸酯、n，n-亚甲基双丙烯酰胺或过氧化苯甲酰，所述引发剂与交联剂的质量比为1:1～2:1。

19、优选的，所述固化成膜的温度为50～80℃，时间为6～12h。

20、本发明还提供了上述技术方案所述柔性力学传感器的制备方法，包括以下步骤：

21、按照第一丝印微纳米铜电极层7、第一铜集流体层6、第一导电金属-有机框架层5、导电离子水凝胶层4、第二导电金属-有机框架层3、第二铜集流体层2和第二丝印微纳米铜电极层1的层叠顺序，进行封装组合，得到所述柔性力学传感器。

22、本发明还提供了上述技术方案所述柔性力学传感器在可穿戴智能设备、个性化健康监测、柔性电子和人机交互系统领域中的应用。

23、本发明提供了一种基于导电离子水凝胶的柔性力学传感器，包括依次层叠设置的第一铜集流体层6、第一导电金属-有机框架层5、导电离子水凝胶层4、第二导电金属-有机框架层3和第二铜集流体层2；还包括位于所述第一铜集流体层6表面的第一丝印微纳米铜电极层7和位于所述第二铜集流体层2表面的第二丝印微纳米铜电极层1。

24、本发明所述柔性力学传感器，导电离子水凝胶层4靠近第二丝印铜电极层1的一侧，由于第二丝印铜电极层1带正电排斥阳离子，因而导电水凝胶层4中的阴离子被吸引靠近第二导电金属-有机框架层3。同时，带负电的第一丝印铜电极层7排斥阴离子，而导电水凝胶层4中的阳离子则被吸引靠近第一导电金属-有机框架层5。这样，在导电离子水凝胶层4和第一导电金属-有机框架层5和第二导电金属-有机框架层3之间的界面上形成双电层电容。当水凝胶受到外力作用时，由于受力弯曲变形，第一导电金属-有机框架层5和第二导电金属-有机框架层3与导电水凝胶层4间的接触面积发生变化，使得双电层电容(edl)发生变化，导致电容量发生变化，最终通过测量电路测量电容量变化来确定受力大小。因此，本发明将导电离子水凝胶与金属-有机框架材料结合得到的柔性力学传感器可以感知力的大小，大大降低制作成本，在科学与工程领域具有实用意义，通过将机械变形转化为电容变化，使其在可穿戴智能设备、个性化健康监测、柔性电子、人机交互系统等领域有广阔的应用前景。该压力传感器的检测范围为56pa～68kpa，响应时间为200ms～320ms，灵敏度在1.50k·pa-1～2.73k·pa-1，具有良好的稳定性。

技术特征：

1.一种基于导电离子水凝胶的柔性力学传感器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一铜集流体层(6)、第一导电金属-有机框架层(5)、导电离子水凝胶层(4)、第二导电金属-有机框架层(3)和第二铜集流体层(2)；

2.如权利要求1所述的柔性力学传感器，其特征在于，所述第一铜集流体层(6)和第二铜集流体层(2)均为在pet基材表面镀铜的复合层。

3.如权利要求1或2所述的柔性力学传感器，其特征在于，所述第一导电金属-有机框架层(5)和第二导电金属-有机框架层(3)均为包括co-mof和石墨烯的复合膜；

4.如权利要求3所述的柔性力学传感器，其特征在于，所述第一导电金属-有机框架层(5)和第二导电金属-有机框架层(3)的制备方法包括以下步骤：

5.如权利要求1所述的柔性力学传感器，其特征在于，所述导电离子水凝胶层(4)的材料包括离子液体和离子凝胶载体；

6.如权利要求5所述的柔性力学传感器，其特征在于，所述离子液体为咪唑类离子液体、吡啶类离子液体、季铵盐类离子液体、季鏻盐类离子液体中的一种或多种；

7.如权利要求5或6所述的柔性力学传感器，其特征在于，所述导电离子水凝胶层(4)的制备方法包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的柔性力学传感器，其特征在于，所述固化成膜的温度为50～80℃，时间为6～12h。

9.权利要求1～8任一项所述柔性力学传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.权利要求1～8任一项所述柔性力学传感器或权利要求9所述制备方法制备得到的柔性力学传感器在可穿戴智能设备、个性化健康监测、柔性电子和人机交互系统领域中的应用。

技术总结
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性力学传感器及其制备方法和应用。本发明提供了一种基于导电离子水凝胶的柔性力学传感器，包括依次层叠设置的第一铜集流体层、第一导电金属‑有机框架层、导电离子水凝胶层、第二导电金属‑有机框架层和第二铜集流体层；还包括位于所述第一铜集流体层表面的第一丝印微纳米铜电极层和位于所述第二铜集流体层表面的第二丝印微纳米铜电极层。所述柔性力学传感器具有导电离子扩散性、应变敏感性和环境稳定性以及成本低廉的优点。

技术研发人员：刘儒平,孙晓娜,韩璐,孙志成,侯兰兰,李烨,辛智青
受保护的技术使用者：北京印刷学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16