一种多参量感知柔性传感器及制备方法

本发明属于检测传感器，具体涉及一种用于同时检测温度、湿度及压力参量且各信号之间不产生耦合的薄膜传感器检测装置及其制备方法。

背景技术：

1、人体皮肤是一个多感知的智能传感系统，它可以感知外界温度、湿度及压力等多种信息，并将其传递给大脑神经系统，大脑对信息进行处理，发出指令产生相应的生理反应，实现人与环境的交互。近年来，随着柔性电子学的飞速发展，具有类人体皮肤的柔性薄膜传感器应运而生，它可以像人体皮肤一样捕捉环境或者使用者的温度、湿度以及压力等等。由于能够模拟人体皮肤的感知功能,柔性薄膜传感器在可穿戴电子、健康医疗监测、智能机器人、环境监测等领域表现出广阔的应用前景。

2、目前单一感知功能的柔性传感器已经不能满足应用要求，因此迫切需要多参量感知柔性传感器件的诞生。而已有的多参量感知传感器解决办法主要有直接集成，即将多个单一感知的传感器以平面铺开或上下层叠的方式集成在一起。这种方式的缺点在于结构、制备工艺及处理电路复杂；另一种方式是构造特殊材料，可以同时检测多种信息，输出同种类型的信号。这种方式的缺点在于信号选择性差，信号耦合大。

技术实现思路

1、本发明提供了一种多参量感知柔性传感器及制备方法，可以用于同时检测温度、湿度及压力参量且各信号之间不产生耦合。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种多参量感知柔性传感器，包括自上至下依次设置的上绝缘层、上电极层、敏感薄膜、下电极层和下绝缘层，所述上电极层包括自上至下依次设置的第一上电极、第一基底和第一下电极；所述下电极层包括自上至下依次设置的第二上电极、第二基底和第二下电极；

4、所述敏感薄膜对湿度和压力敏感，所述第一上电极、第一下电极、第二上电极和/或第二下电极对温度敏感。

5、进一步的，上绝缘层和上电极层上开设有若干通孔，所述上电极层上的通孔位于上绝缘层的通孔正下方。

6、进一步的，上绝缘层和下绝缘层均为pdms薄膜。

7、进一步的，第一上电极、第一下电极、第二上电极和第二下电极均为银电极。

8、一种多参量感知柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：

9、s1、制备上绝缘层和下绝缘层；

10、s2、制备上电极层和下电极层，并对上电极层打孔；

11、s3、制备p(vdf-trfe)/zno/rgo敏感薄膜；

12、s4、在下绝缘层上依次平铺下电极层、敏感薄膜、上电极层和上绝缘层，上绝缘层与下绝缘层多于其他层的地方相互粘合固化，得到多参量感知柔性传感器。

13、进一步的，s1包括以下步骤：

14、s1.1：将pdms预聚物和固化剂按照(10～20)：1的比例进行混合均匀；

15、s1.2：将s1.1制备好的溶液进行旋涂成膜并固化，得到上绝缘层和下绝缘层；

16、s1.3：对上绝缘层进行打孔。

17、进一步的，步骤s1包括以下步骤：

18、s2.1、将无水乙醇、丙酮、松油醇以及邻苯二甲酸二丁酯，混合均匀，得到溶液a；

19、s2.2、将乙基纤维素加入s2.1制备的溶液a中，得到溶液b；

20、s2.3、将纳米银粉加入s2.2制备好的溶液b中，得到银导电油墨；

21、s2.4、将银导电油墨分别印刷在第一基底的上下两面构成双层电极，得到第一电极层，将银导电油墨分别丝网印刷在第二基底的上下两面构成双层电极，得到第二电极层，将第一电极层和第二电极层在固化并烧结，得到烧结后的第一电极层和下电极层，并对第一电极层进行打孔得到上电极层；

22、其中，步骤s2.1、s2.2、s2.3中，所述银导电油墨各成分质量占比分别为：无水乙醇25％～35％、丙酮8％～10％、松油醇3.80％～4.50％、邻苯二甲酸二丁酯3.90％～4.60％、乙基纤维素2.30％～2.90％、银粉45％～55％。

23、进一步的，所述步骤s2.4中，采用丝网印刷，将银导电油墨在第一基底和第二基底的上下两面。

24、进一步的，步骤s3包括以下步骤：

25、s3.1、将p(vdf-trfe)粉末加入n,n-二甲基甲酰胺溶液中，并搅拌均匀，得到溶液c，p(vdf-trfe)粉末占溶液c质量分数的25％～35％；

26、s3.2、将纳米zno粉末加入溶剂中混合均匀，得到溶液d，zno粉末占溶液d质量分数的2.5％～3.5％；

27、s3.3、将溶液c加入溶液d中，溶液c和溶液d的比例为(0.8～1.2)：1，混合均匀得到纺丝溶液；将纺丝溶液转移到静电纺丝设备中的注射器中，用注射器将纺丝溶液挤出，调节静电纺丝参数，使挤出的纺丝溶液液滴在静电场的作用下形成稳定射流，射流经过电场力的拉伸、溶液挥发和固化，沉积在收集板上，形成p(vdf-trfe)/zno敏感薄膜；

28、s3.4、将s3.3得到的p(vdf-trfe)/zno敏感薄膜放入氧化石墨烯水溶液中浸泡，使氧化石墨烯水溶液中的氧化石墨烯会生长在敏感薄膜表面；

29、s3.5、取抗坏血酸粉末溶解在去离子水中，得到溶液e，抗坏血酸粉末占溶液e质量分数的5％～10％；

30、s3.6、将s3.4浸泡后的敏感薄膜放入s3.5配置的溶液e中，反应后烘干；

31、s3.7、重复s3.5和s3.6，直至反应完全，得到p(vdf-trfe)/zno/rgo敏感薄膜。

32、进一步的，步骤s3.2中，溶剂为甲基乙基酮。

33、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

34、本发明提供的一种新型多参量感知柔性传感器，将对温度敏感的电极与对压力和湿度敏感的敏感薄膜组装形成一个完整的传感器。

35、电极阻值随温度变化而改变，温度改变时输出电阻信号，构成电阻式温度传感器；敏感薄膜受压力和湿度影响，当压力和湿度变化时，分别输出电压信号和电容信号，构成压电式压力传感器和电容式湿度传感器。本发明采用双层电极，避免传感器受到压力时，影响到电容式湿度传感器的监测。当三种环境参量同时发生改变时，任何一种参量变化都只会引起与之相对应的一种输出信号改变，不会影响另外两种信号的输出，且由于三种输出信号的种类不同，所以可以快速准确的由输出信号确定不同的环境参量改变，因此各信号之间耦合效应小，信号选择性好。

36、进一步的，上绝缘层和上电极层上开设有通孔，让环境中的水分更快的浸润到敏感薄膜上，提高测量响应速度。

37、本发明所述的制备方法，所制备的多参量感知柔性传感器结构和制备工艺简单，可以同时监测温度、湿度及压力变化，输出不同测量信号。

38、进一步的，本发明中所配置的银导电油墨由于其适用于丝网印刷，且所印刷银电极检测温度的灵敏度和线性度较好，可以单独作为一个电阻式温度传感器使用。

39、进一步的，本发明溶解纳米zno粉末的溶剂为甲基乙基酮，使得zno粉末在溶剂中溶解更快更彻底，分散均匀，更适用于静电纺丝，避免未完全溶解或者分散的粉末在静电纺丝的过程中堵住针头。