一种柔性自驱动触觉传感器及其制备方法

本发明属于传感器领域，具体涉及一种柔性自驱动触觉传感器。

背景技术：

1、随着人机交互、5g通信、机器人技术、可穿戴电子设备和物联网技术的蓬勃发展，极大地刺激了对触觉传感器的需求。其中，具有高灵敏度和宽传感范围的柔性触觉传感器对机械刺激具有良好的传感性能，具有能够监测各种应用场景下器件被拉伸、弯曲或扭曲的能力。根据触觉压敏传感器的传感机制，这些压敏传感器通常可以分为压阻、压容、压电和摩擦电四种类型。迄今为止的大多数报告都显示出了有限的性能，特别是在灵敏度和传感范围方面。另外，传感器自驱动的设计有利于降低传感器的集成成本和复杂性。

2、为了提高传感器的灵敏度和传感范围，学者们开发了几种策略，如在电极或电介质上构建微结构，使用复合电介质，及在介电层内搭建工程孔洞。然而，这些技术工艺复杂繁琐，成本较高，不利于产业化。近期有学者提出引入双电层机制对显著提高传感器的界面电容是一种有效的策略。基于双电层的离子电子传感器比传统的传感器显示出更高的灵敏度和更广泛的传感范围。虽然该种策略都提高了器件的灵敏度和传感范围，但仍有很大的性能改进空间。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于压离子效应下耦合赝电容的柔性自驱动触觉传感器及其制备方法，该传感器是由具有叉指电极结构的多孔mxene/bi复合薄膜与h2so4/pva凝胶电解质层组装而成，具有三明治结构，且内部呈现多孔泡沫微结构，利于实现传感过程中低的表面/界面离子传输能垒，实现自驱动。基于新型赝电容离子/电子传输机制的触觉传感器的设计及实现有望能够显著提高传感器灵敏度和传感范围。本发明的传感器可用于可穿戴电子器件的电子皮肤、柔仿生电子皮肤、人机交互、敏感假肢触摸系统和健康监测领域等新兴信息领域。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种柔性自驱动触觉传感器，其结构特点在于：包括上柔性透明封装基板、下柔性透明基底以及设置于二者之间的具有叉指电极结构的多孔mxene/bi复合薄膜；所述多孔mxene/bi复合薄膜通过在pva/h2so4凝胶电解质中浸泡，而在指间与内部孔道中充分渗透有电解质，并在表面包覆有电解质层；在所述下柔性透明基底的上表面蒸镀有金属叉指电极，所述金属叉指电极的尺寸与所述多孔mxene/bi复合薄膜的尺寸相同并对齐组装。所述柔性自驱动触觉传感器在非受力状态下具有较低的放电暗电流，在受到压力时，传感器中mxene/bi复合薄膜内部的多孔接触充分且电解质离子迁移较快形成更多导电通路产生较大的响应电流。

4、进一步地，在所述多孔mxene/bi复合薄膜中mxene纳米片与bi纳米片的质量比为10:0.05-2。通过调控mxene/bi复合薄膜中mxene纳米片与bi纳米片的比例可以调控其微纳结构，达到调控压敏触觉传感器的灵敏度和传感范围等性能的目的。

5、进一步地，所述多孔mxene/bi复合薄膜的孔径为100-600nm，厚度为20-100μm。合适的孔径范围及厚度有利于提供充足的活性位点供传感器离子的积聚，以强化传感过程中赝电容和双电层行为，以及极大地提高电子和离子传输过程。孔径过小限制了传感器电解质离子扩散进入内部孔道的能力，孔径过大使得相当一部分传感器离子无法及时参与到电荷储存及传感过程中来，从而导致传感性能不够理想。

6、进一步地，叉指电极的线宽为200-1000μm、线距为200-1000μm。为了提高传感能力，合理的微观结构设计是影响灵敏度的关键因素之一。基于叉指式微观结构设计，是提高传感性能的有效策略之一。叉指电极的线宽和线距直接影响传感能力。线宽过小，外界压力下，相邻叉指电极活性材料容易发生接触短路，造成部分传感失效；线宽过大，导致有效参与传感过程中活性电极材料减少，且距离过大使得传感器离子输运过长，阻力变大不利于传感。

7、进一步地，所述下柔性透明基底为聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚氨酯(pu)、对苯二甲酸乙二酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、聚萘二甲酯乙二醇酯(pen)或柔性纸片等。基底厚度为0.05-0.175mm。

8、进一步地，所述上柔性透明封装基板为聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚氨酯(pu)、聚乙烯醇(pva)、对苯二甲酸乙二酯(pet)或聚酰亚胺(pi)。

9、进一步地，所述金属叉指电极的材料为au、ag、cu或pt。从工艺方面，电极的材料au、ag、cu、pt能够采用蒸镀工艺易于附着于衬底；另一方面，电极的材料au、ag、cu、pt能够与传感器薄膜形成欧姆接触，利于传感器信号输出。

10、如图1所示，本发明还提供了所述柔性自驱动触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：

11、步骤1、依次使用乙醇和去离子水清洁下柔性透明基底的表面，以有效去除基底表面污渍，从而保证柔性电极的表面平整、金属叉指电极与mxene/bi复合薄膜的良好接触性。

12、步骤2、将mxene纳米片在去离子水中超声分散均匀后，加入bi纳米片并搅拌至混合均匀，获得mxene/bi混合分散液；将所述mxene/bi混合分散液通过真空过滤技术注入滤膜中，所得薄膜真空干燥，获得多孔mxene/bi复合薄膜；

13、设计所需的叉指电极结构，通过激光雕刻所述多孔mxene/bi复合薄膜，获得具有叉指电极结构的多孔mxene/bi复合薄膜；

14、步骤3、在下柔性透明基底的上表面蒸镀金属叉指电极；

15、步骤4、将硫酸和pva完全溶解在去离子水中，形成pva/h2so4凝胶电解质；

16、将步骤2的具有叉指电极结构的多孔mxene/bi复合薄膜在所述pva/h2so4凝胶电解质中浸泡，使电解质充分渗透到复合薄膜的指间及内部孔道中，并在表面包覆有电解质层；此时，多孔mxene/bi复合薄膜指间由电解质隔开，可防止短路；

17、然后将其与金属叉指电极对齐后贴合在下柔性透明基底上表面，将器件置于干燥柜中干燥；

18、步骤5、待干燥完成后，在器件表面封装上柔性透明封装基板，封装后传感器内部结构及物质与外界环境隔离，提高传感器的稳定性和使用寿命；封装后即获得柔性自驱动触觉传感器。采用铜胶带贴或者银浆焊接的方式将传感器正负极引出，用于与外界信号处理电路连接，用于可穿戴电子器件应用。

19、本发明的赝电容离子电子自供电触觉传感器的压力传感工作机制如图2所示。当传感器充满电时，正电荷和负电荷分别均匀分布在具有叉指电极结构的多孔mxene/bi复合薄膜的两端；由于多孔mxene/bi复合薄膜的赝电容耦合双电层电容具有优异的储存离子特性，正负极传感器电解质离子均匀分布在mxene/bi活性材料的界面处；因此，相邻的mxene/bi复合薄膜叉指和pva/h2so4凝胶电解质形成一个微型超级电容器单元；当对传感器施加一定的压力时，mxene/bi活性材料的内部微观结构会因外力而变形；在压力加载过程中，pva/h2so4凝胶电解质会因变形而填充mxene/bi复合薄膜叉指之间的凹槽；此外，多孔mxene/bi微观孔径结构的孔壁的紧密接触增加了传感器电子传输路径和活性材料与电解质之间的充分接触界面，降低了界面接触电阻和电荷转移电阻；在mxene/bi插入电极内部电场增强的作用下，更多的电解质阳离子和阴离子分离并聚集在mxene/bi复合薄膜叉指电极材料/电解质界面处。增强的赝电容和双电层的作用产生对外部压力的电流响应。除了电容效应外，压力下的电阻效应在自供电传感器的工作机理中起着重要作用。mxene/bi薄膜的分层框架将在压力传感器施加外力下而变形，从而改变mxene/bi混合薄膜的内部电阻。在压力作用下，mxene/bi薄膜的层间距减小，电子传输路径缩短。随着额外压力的抽出，由于mxene/bi混合薄膜的间距相对较大，薄膜层之间形成了长程电子传输路径，电阻更高。因此，电容耦合与电阻的最终协同效应实现了传感性出色的性能。

20、与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

21、1、本发明的传感器基于mxene纳米片与bi纳米片之间的自组装策略，构建了二维材料法拉第异质结，实现了传感过程中低的表面/界面离子传输能垒，从而实现了自驱动，即无需外部电源驱动。mxene/bi复合薄膜的厚度可控、孔径分布均匀，通过调控薄膜成分可以实现微观结构的调控，从而实现该压敏触觉传感器的灵敏度和工作范围的调控。二维层状结构铋烯(bi)横向尺寸小易于“插层”mxene，可有效抑制mxene框架自组装过程中等堆叠问题，mxene与二维铋烯纳米片相互成键为传感器微纳架构提供了结构稳定性，并强化传感器离子扩散和迁移动力学。

22、2、本发明的传感器中，mxene和铋烯(bi)协同作用能够充分保持各自的优势，使得本发明的柔性自驱动触觉传感器具有优良的传感器灵敏度和传感器循环稳定性。mxene/bi复合薄膜的多孔通道为电解质离子与活性材料mxene/bi之间提供了更有效的接触面积，减少传输长度，从而有效减小传感阻力，使传感器载流子传感过程中更加快速有效地传输；另外，可以充分利用传感器材料的双电层电容及赝电容特性，实现自驱动，即无需外部电源驱动。

23、3、本发明提供的叉指电极三明治结构高灵敏触觉传感器的制备方法，采用简单的真空抽滤结合微纳加工工艺，操作简单、实用性强、成本低，且所得传感器灵敏度较高、响应时间短，具备良好的迟滞性和稳定性。同时，本发明的传感器结构简单，且可与现有的集成电路工艺兼容，使得该自驱动传感器可以大规模推广使用，其可用于仿生电子皮肤、人机交互和敏感假肢触摸系统等新兴信息领域。