一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器及其制备方法

本发明涉及柔性传感器技术等领域，具体地说，是一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器及其制备方法。

背景技术：

1、柔性传感器在人机交互系统，人工智能设备以及人体运动监控等领域具有巨大市场和发展潜力。传感器作为人与外界信号交互的桥梁，一种能够收集多种信息且贴合检测物体形貌的柔性传感器具有广阔的应用场景。

2、高度集成的传感器能够缩小器件体积，减少制备步骤，但需要克服两个或多个信号相互干扰的问题，因此在选择不同的检测信号时要根据不同的检测原理来设计传感器的结构。弯曲应变基于传感器弯曲面受到拉伸或压缩时，材料结构尺寸发生形变从而导致材料电阻发生变化；而压力检测基于传感器结构体受到压缩时，材料结构发生形变而使得材料电阻发生变化。但是这种情况下，弯曲应变和压力信号的变化都是由材料结构形变导致，集成在同一载体的双模态传感器会因为变化信号来源不清而造成误差，如何克服材料结构体形变造成的信号干扰带来的误差是双模态传感器研究的一个重点。

技术实现思路

1、本发明的一方面目的在于设计一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，利用材料在面和体的不同维度上的敏感度不同，设计一款高灵敏度、低噪声的多模态传感器，且检测方便。本发明另一方面目的在于设计一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器制备方法，该制备方法简单。

2、本发明通过下述技术方案实现：一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，包括柔性衬底、弯曲应变传感层、多个压力传感模块、金属引线，所述弯曲应变传感层设置在柔性衬底第一（上）表面，在弯曲应变传感层与柔性衬底之间引出有金属引线（且金属引线通过导电银胶粘接在弯曲应变传感层和保护层之间）；多个压力传感模块分列排布，并贴合在柔性衬底第二（下）表面，在分列排布的压力传感模块与柔性衬底贴合夹层中亦引出有金属引线（且金属引线通过导电银胶粘接在压力传感模块上）；所述弯曲应变传感层和压力传感模块分别在面和体两个层面检测双模态信号，相互干扰小，精度高。

3、进一步为更好地实现本发明所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，特别采用下述设置方式：在弯曲应变传感层与柔性衬底之间引出的金属引线为从柔性衬底第一（上）表面两侧分别引出，且该金属引线用导电银胶粘于弯曲应变传感层上，用于传递弯曲应变传感层电信号。

4、进一步为更好地实现本发明所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，特别采用下述设置方式：在分列排布的压力传感模块与柔性衬底贴合夹层中引出的金属引线（该金属引线利用导电银胶粘接在压力传感模块上）用于传递每个压力传感模块的电信号。

5、进一步为更好地实现本发明所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，特别采用下述设置方式：所述金属引线用导电银胶分别固定在弯曲应变传感层以及压力传感模块上。

6、进一步为更好地实现本发明所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，特别采用下述设置方式：所述柔性衬底材料采用绝缘柔性聚合物（如pet等），柔性衬底呈长条状，用于贴合多个压力传感模块，能够避免上下电信号干扰。

7、进一步为更好地实现本发明所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，特别采用下述设置方式：所述弯曲应变传感层采用低维纳米材料（如石墨烯悬浮液）作为传感层，位于柔性衬底的上表面（优选的，采用喷涂法将石墨烯悬浮液喷涂在柔性衬底上表面），利用材料二维平面拉伸/压缩下的结构变化检测弯曲应变程度。

8、进一步为更好地实现本发明所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，特别采用下述设置方式：所述压力传感模块采用高介电常数的多孔有机柔性材料（如pdms等）作为载体，承托起压力传感材料（具有空间结构形变导致阻抗改变的材料，如碳纳米管等），位于柔性衬底的下表面，利用材料空间立体面的压缩导致的结构变化检测压力大小。

9、进一步为更好地实现本发明所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，特别采用下述设置方式：利用多孔海绵作为载体，采用浇筑法使压力传感材料附着在多孔海绵载体的骨架上形成所述压力传感模块；多个压力传感模块按一定间距（一般为5mm）并联排列分布在柔性衬底第二（下）表面，并采用双面柔性胶带将压力传感器模块与柔性衬底贴合。

10、进一步为更好地实现本发明所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，特别采用下述设置方式：所述弯曲应变传感层采用喷涂法固定在柔性衬底第一（上）表面，并加热固化；而后采用刮涂法将pdms覆盖在弯曲应变传感层和该层的金属引线上，并加热固化，作为保护层。

11、优选的，金属引线具有阻抗低、柔软的特点；所述弯曲应变传感层通过两根金属引线引出正负极，每个压力传感模块都通过两根金属引线引出正负极。弯曲应变传感层的正负极金属引线分别位于长条矩形（柔性衬底）的两侧，通过导电银胶固定在石墨烯层（弯曲应变传感层）上，并采用刮涂法刮涂一层保护层。所述压力传感模块的正负极引线分别从矩形多孔海绵载体两侧引出，并通过导电银胶固定在柔性多孔海绵载体上，并将贴合金属引线的一侧胶合在柔性衬底的下表面。

12、一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器制备方法，用于制备一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，包括下述步骤：

13、步骤1：将作为弯曲应变传感层的材料（石墨烯悬浮液）均匀喷涂在裁剪好的柔性衬底第一（上）表面，蒸发干燥后形成弯曲应变传感层（石墨烯弯曲应变检测层）；

14、步骤2：将金属引线利用导电银胶固定在弯曲应变传感层上，随后刮涂pdms，并放置在退火台上，进行加热固化，形成保护层；

15、步骤3：将pdms和固化剂的混合溶液多次浇筑在方糖模具上，形成方形多孔海绵载体，将多孔海绵载体放置碳纳米管混合悬浮液中浸泡后放入烘箱烘干，形成压力传感模块；

16、步骤4：将金属引线用导电银胶固定在压力传感模块上，再将压力传感模块并列排布，并胶合在柔性衬底第二（下）表面（保证压力传感模块与金属引线紧密贴合），完成柔性应变-压力双模态传感器制备。

17、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

18、本发明利用材料结构在面和体两个维度上的形变敏感度不同，设计了一款弯曲应变-压力传感器（柔性弯曲应变-压力双模态传感器）。与现有技术相比，本发明在制备过程和传感器结构上做出创新，采用整体-模块相结合，具有采样信号干扰小，噪声小，精度高的优点，进而在双模态检测时，能更好得贴合被测物体形貌，便于数据整合和处理，拓展了应用场景。

19、本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，其特征在于：包括柔性衬底、弯曲应变传感层、多个压力传感模块、金属引线，所述弯曲应变传感层设置在柔性衬底第一表面，在弯曲应变传感层上设有金属引线；多个压力传感模块分列排布，并贴合在柔性衬底第二表面，在分列排布的压力传感模块与柔性衬底贴合夹层中亦引出有金属引线。

2.根据权利要求1所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，其特征在于：在弯曲应变传感层上设置的金属引线从柔性衬底第一表面两侧分别引出，且该金属引线用于传递弯曲应变传感层电信号。

3.根据权利要求1所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，其特征在于：在分列排布的压力传感模块与柔性衬底贴合夹层中引出的金属引线用于传递每个压力传感模块的电信号。

4.根据权利要求1~3任一项所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，其特征在于：所述金属引线用导电银胶分别固定在弯曲应变传感层和压力传感模块上。

5.根据权利要求1所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，其特征在于：所述柔性衬底材料采用绝缘柔性聚合物，柔性衬底呈长条状，用于贴合多个压力传感模块。

6.根据权利要求1所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，其特征在于：所述弯曲应变传感层采用低维纳米材料作为传感层。

7.根据权利要求1所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，其特征在于：所述压力传感模块采用多孔有机柔性材料作为载体，承托起压力传感材料。

8.根据权利要求7所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，其特征在于：利用多孔海绵作为载体，采用浇筑法使压力传感材料附着在多孔海绵载体的骨架上形成所述压力传感模块；多个压力传感模块并联排列分布在柔性衬底第二表面，并采用双面柔性胶带将压力传感器模块与柔性衬底贴合。

9.根据权利要求1所述的一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，其特征在于：所述弯曲应变传感层采用喷涂法固定在柔性衬底第一表面，并加热固化；而后采用刮涂法将pdms覆盖在弯曲应变传感层和该层的金属引线上，作为保护层。

10.一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器制备方法，其特征在于：用于制备如权利要求1~9任一项所述一种柔性弯曲应变-压力双模态传感器，包括下述步骤：

技术总结
本发明公开了一种柔性弯曲应变‑压力双模态传感器及其制备方法，双模态传感器包括柔性衬底，弯曲应变传感层、压力传感模块、金属引线。弯曲应变传感层检测弯曲形变信号，喷涂在柔性衬底上表面。压力传感模块分列排布在柔性衬底上检测压力信号，与柔性衬底下表面贴合。金属引线作为电极导线引出电信号。采用该双模态传感器作为检测器件，可以同时兼顾弯曲形变和压力的双物理量检测，具有集成度高，制备工艺简单，测试方法简单，检测精度高、信号干扰小等优点。

技术研发人员：马伟泽,李潇博,顾一丁,张婷,李世彬
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15