一种梯度多层柔性压阻传感器及其制备方法

本发明涉及传感器，具体为一种梯度多层柔性压阻传感器及其制备方法。

背景技术：

1、柔性可穿戴压力传感器具有生物相容性、可拉伸性、透明性、可穿戴性等优点，在电子皮肤、智能机器人、运动传感等领域具有广阔的应用前景。根据传感机理不同，柔性可穿戴压力传感器分为压阻传感器、电容传感器、压电传感器和摩擦电传感器，其中压阻式传感器因结构简单，易于制备等特点而得到了广泛的关注和快速的发展。

2、大多现有的柔性压阻传感器往往可在较小的压力范围内表现出高的灵敏度，但其压力传感范围较小，线性度差。因此，亟需提出一种能兼具高灵敏度、宽传感范围、好线性度的压阻传感器设计策略。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种梯度多层柔性压阻传感器，包括多层多梯度碳纳米管聚二甲基硅氧烷复合材料、金属电极和聚合物保护层，该压阻传感器柔韧性好、量程大、灵敏度高、线性度好、压阻重复性好且能耐久使用。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种梯度多层柔性压阻传感器，包括共面金属电极，以及设置在其上的复合材料敏感层，复合材料敏感层包括自上而下依次堆叠的多层复合材料膜，复合材料膜的材料为碳纳米管聚二甲基硅氧烷，并且各复合材料膜中的碳纳米管的比重自上而下依次递减；

4、所述共面金属电极1与最上层的复合材料膜之间的各复合材料膜均包括两个间隔的复合材料片，共面金属电极层1上形成有两个电极，最下层复合材料膜的两个复合材料片分别位于共面金属电极1的两个电极上。

5、优选的，所述碳纳米管聚二甲基硅氧烷复合材料层为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管的其中一种或两种的混合物，或经改性后掺杂于聚二甲基硅氧烷中的导电聚合物。

6、优选的，所述复合材料敏感层中复合材料膜的层数为3-10层。

7、优选的，所述复合材料膜的厚度为50μm～500μm，并且各层的复合材料膜的厚度相同。

8、优选的，所述共面金属电极1包括柔性基底，以及沉积在其一侧的两个电极。

9、优选的，所述电极厚度为1μm～5μm。

10、优选的，所述共面金属电极1的底部和最上层的复合材料膜的顶部分别设置有聚合物保护层。

11、优选的，所述复合材料膜中碳纳米管的比重为0.5wt％-10wt％。

12、一种梯度多层柔性压阻传感器的制备方法，包括以下步骤：

13、步骤1、将液态碳聚二甲基硅氧烷均匀涂布于模具上，固化形成柔性基底；

14、步骤2、在柔性基底上沉积形成两个电极，得到共面金属电极；

15、步骤3、将碳纳米管粉末分散于有机溶剂中，得到碳纳米管分散液；

16、步骤4、在碳纳米管分散液加入聚二甲基硅氧烷预聚体，充分搅拌后去除有机溶剂，得到碳纳米管聚二甲基硅氧烷预聚体的混合溶液；

17、步骤5、在混合溶液中加入固化剂后，将混合溶液涂布于模具上，固化形成复合材料膜；

18、步骤6、重复3-5步骤，制备多种碳纳米管比重不同的复合材料膜；

19、步骤7、按照碳纳米管比重递增原则，将各复合材料膜自下而上依次堆叠并结合，并将结合后的多层cnt/pdms复合材料膜裁分为两个复合材料组，将碳纳米管比重最大cnt/pdms复合材料膜结合在两个复合材料组的顶面，得到复合材料敏感层；

20、步骤8、将复合材料敏感层与共面金属电极进行封装，得到梯度多层柔性压阻传感器。

21、10.根据权利要求9所述的一种梯度多层柔性压阻传感器的制备方法，其特征在于，步骤5的混合溶液中所述聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂的质量比为(5-10):1。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

23、本发明提供的一种梯度多层柔性压阻传感器，包括柔性基底、共面电极以及设置在其上的拱门结构多层复合材料膜，通过改变复合材料中碳纳米管的含量，复合材料膜中的碳纳米管的比重自上而下依次递减，从而改变复合材料电阻、模量及粗糙度，同时实现电阻、模量和粗糙度梯度变化。通过在金属电极上施加电压，对该柔性压阻器件施加压力，cnt/pdms复合材料层间和层内在不同压力阶段发生变形，变形分别引起层与层之间以及复合材料层内部的碳纳米管相互接触，创造了更多的导电通路，导致电阻的降低和电流的增加，从而将压力信号转变为电流信号实现压力传感性能。模量梯度可有效调控应力传递，软层先变形，硬层后变形，有助于提高压力传感范围和线性度；导电梯度可有效调控变形过程中的电子传递，影响导电通路激活顺序，有助于提高灵敏度和线性度。多层结构中层与层之间粗糙微结构一方面增加了层间接触电阻，提高敏感材料的初始电阻，另一方面有助于引起局部应力集中，导致层间接触面积的显著变化，提高灵敏度；此外，多层结构可缓解敏感材料的整体应力集中，将应力分散在每一层，有助于提升线性度和传感范围多梯度结构和多层结构对提高传感器灵敏度、传感范围、线性度具有复合效应。最后，拱门式结构和共面电极可有效调控电流方向，使电流依次通过高电阻层、低电阻层、高电阻层，将梯度多层敏感材料的性能优势进一步提升。

技术特征：

1.一种梯度多层柔性压阻传感器，其特征在于，包括共面金属电极，以及设置在其上的复合材料敏感层，复合材料敏感层包括自上而下依次堆叠的多层复合材料膜，复合材料膜的材料为碳纳米管聚二甲基硅氧烷，并且各复合材料膜中的碳纳米管的比重自上而下依次递减；

2.根据权利要求1所述的一种梯度多层柔性压阻传感器，其特征在于，所述碳纳米管聚二甲基硅氧烷复合材料层为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管的其中一种或两种的混合物，或经改性后掺杂于聚二甲基硅氧烷中的导电聚合物。

3.根据权利要求1所述的一种梯度多层柔性压阻传感器，其特征在于，所述复合材料敏感层中复合材料膜的层数为3-10层。

4.根据权利要求1所述的一种梯度多层柔性压阻传感器，其特征在于，所述复合材料膜的厚度为50μm～500μm，并且各层的复合材料膜的厚度相同。

5.根据权利要求1所述的一种梯度多层柔性压阻传感器，其特征在于，所述共面金属电极包括柔性基底，以及沉积在柔性基底一侧的两个电极。

6.根据权利要求1所述的一种梯度多层柔性压阻传感器，其特征在于，所述电极厚度为1μm～5μm。

7.根据权利要求1所述的一种梯度多层柔性压阻传感器，其特征在于，所述共面金属电极1的底部和最上层的复合材料膜的顶部分别设置有聚合物保护层。

8.根据权利要求1所述的一种梯度多层柔性压阻传感器，其特征在于，所述复合材料膜中碳纳米管的比重为0.5wt％-10wt％。

9.一种权利要求1-8任一项所述的一种梯度多层柔性压阻传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种梯度多层柔性压阻传感器的制备方法，其特征在于，步骤5的混合溶液中所述聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂的质量比为(5-10):1。

技术总结
本发明公开了一种梯度多层柔性压阻传感器及其制备方法，包括共面金属电极，以及设置在其上的复合材料敏感层，复合材料敏感层包括自上而下依次堆叠的多层复合材料膜，复合材料膜的材料为碳纳米管聚二甲基硅氧烷，并且各复合材料膜中的碳纳米管的比重自上而下依次递减；所述共面金属电极与最上层的复合材料膜之间的各复合材料膜均包括两个间隔设置的复合材料片形成拱门结构，共面金属电极上形成有两个电极，最下层复合材料膜的两个复合材料片分别位于共面金属电极的两个电极上。所述多层复合材料膜具有比重梯度，同时实现电阻、模量及粗糙度梯度变化，该压阻传感器不仅兼具高的灵敏度和宽的响应范围以及良好的线性度，还具有结构简单、制备简便等特点。

技术研发人员：吴凯,陈姣睿,王亚强,张金钰,刘刚,孙军
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13