一种柔性四模态传感器及其制备方法

本发明涉及柔性传感器，尤其涉及一种柔性四模态传感器及其制备方法。

背景技术：

1、随着物联网、人工智能、机器人、健康监测、运动监测等领域的蓬勃发展，传感器需要变得更加互联和智能化，因此柔性传感器逐渐进入大家的视野，其非常适合在机械合规性、可制造性和成本方面有严格要求的领域上应用。目前，人们已经提出了各种柔性传感器来监测压力、接近、湿度和温度等感知信号，并用于环境监测、个人保健、电子皮肤、农业等领域。目前大多数柔性传感器的制造工艺复杂，导致其成本高、应用领域窄，为了拓宽其实际应用范围，开发一种简便、节约成本的柔性传感器制造方法，是当前国内外的研究重点。传统柔性传感器通常只具备单一的传感功能，然而在某些场景中需要同时监测多个物理量，因此进行年来人们致力于将多种物理感知功能集成到单个器件中，以赋予该器件卓越的智能性和交互性。由于柔性传感器主要作为可穿戴电子设备，需要长时间与人体接触，近十年来，其材料方面的发展逐渐趋向绿色无毒、环境友好、生物相容、在特定情景下还需具备生物可降解性。

2、但现有传感器中为了实现多模态功能，其结构往往设计复杂，而且多个测量信号之间串扰大。因此，急需设计一种结构简单、集成功能强、串扰小的柔性多模态传感器。基于此，提出本申请。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种柔性四模态传感器及其制备方法,所制得的传感器结构紧凑，能够实现压力、接近度、湿度、温度四种物理参数的监测，并支持多种传感功能同时使用，各测量信号之间串扰较小，在睡眠监测、智能尿布、环境感知等领域具有广阔的应用前景，将物联网监测系统的进一步发展。

2、本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种柔性四模态传感器，包括衬底，柔性介质层和顶部电极层，所述衬底中部设有螺旋线圈层，衬底中部开设有通孔，螺旋线圈层中心通过通孔连接至衬底背面并连接有第一电极，所述螺旋线圈层的末端连接有第二电极，所述柔性介质层粘附在螺线线圈层上，所述柔性介质层的上表面设有凸起层，所述顶部电极层设于凸起层上，所述顶部电极层包括材料层和叉指电极，所述材料层经过饱和氯化钠溶液处理后表面有大量氯化钠晶体，所述叉指电极设于材料层表面。

4、本发明中螺旋线圈层通过传感器结构合理的集成设置，可以承担三种功能，第一，螺旋线圈随着温度发生变化，电阻会发生相应变化，通过连接设置的第一电极和第二电极实现对其电阻的测量，从而实现温度传感；第二，螺旋线圈具有电感特性可以通过测试其电感值的变化情况实现接近传感，器件的接近感知功能几乎不受温度的影响，并且该电感式的接近传感功能对人体的接近呈现电感上升的趋势，对金属的接近呈现电感降低的趋势，这种相反的趋势大大提高了传感器对人体与金属接近的区分度，具有更高的灵敏性；第三，螺旋线圈层还可同柔性介质层、顶部电极层构成平行板电容器，作为传感器中压敏电容的一部分，实现对压力的传感检测。本发明中顶部电极层的材料层表面经过处理后有大量氯化钠警惕，吸水后离子水解，使叉指电极之间导通，叉指电极两端的导纳值在低湿度与高湿度下具有非常明显的区别，从而可以实现湿度传感与呼吸监测，同时顶部电极层也作为传感器中压敏电容的顶部电极。

5、本发明通过合理的集成设置，实现四模态柔性传感检测，各数据的测量相互之间几乎没有影响，各测量信号之间串扰小。

6、进一步地，所述通孔内设有导电银浆。螺旋线圈层中心不方便引线接入电极进行测量，通过在衬底与螺旋线圈层中心开设通孔，并通过导电银浆使得螺旋线圈层的中心可与衬底的背面电连通，从而在背面引入第一电极。

7、进一步地，所述凸起层由若干半球微结构排列组合而成。由于凸起层的结构设置，其与顶部电极层的接触面积小，很小的压力就可以引起较大的形变，从而大大提高压力感知的灵敏度。

8、进一步地，所述衬底为聚酰亚胺薄膜，所述材料层为纤维素纸。

9、本发明还提供上述柔性四模态传感器的制备方法，包括以下步骤：

10、s1、将导电银浆和石墨粉混合，充分搅拌，超声分散得到油墨；

11、s2、通过丝网印刷，用油墨在衬底上印刷螺旋线圈层；

12、s3、用导电银浆在材料层上印刷叉指电极；将印有叉指电极的材料层以电极面朝下的方式放入饱和氯化钠溶液中浸泡后取出烘干，重复浸泡和烘干步骤多次，得到顶部电极层；

13、s4、通过3d打印制作模具，由模具倒模制出柔性介质层；

14、s5、将柔性介质层粘附在螺旋线圈层上，将顶部电极层面朝上放置在柔性介质层上，封装后即得到所述柔性四模态传感器。

15、进一步地，步骤s1中，所述导电银浆和石墨粉的质量比为4：0.13。

16、进一步地，所述步骤s2还包括，在螺旋线圈层中心处的衬底上开设通孔，通孔内挤入导电银浆使得螺旋线圈层中心连接第一电极。

17、进一步地，所述螺线线圈层线宽250μm，匝数为10匝。

18、进一步地，所述叉指电极具有5对叉指，每条叉指宽0.4mm，叉指间间距为0.6mm。

19、本发明具有以下有益效果：

20、1、本发明的柔性传感器所用材料成本低廉，绿色环保，环境友好，基于对底部螺旋线圈层以及顶部叉指电极层的合理利用，结构设计合理紧凑，可以实现四种物理量的监测，且各测量信号之间串扰较小。

21、2、本发明的压力感知功能，可实现1.9-170kpa的测量窗口，并在0-4kpa的小压力范围内具有5.28％kpa-1的高灵敏度；在湿度监测功能上，本器件具有很高的灵敏度，能够监测人的呼吸情况；对于温度感知功能，本器件的电阻温度系数为0.234％℃-1，具有良好的线性度。

22、3、本发明还可以检测金属板的接近和远离，并且对于不同物体的接近具有明显的区分度，特别是人体接近时电感呈下降趋势，金属接近时电感呈上升趋势，这种相反的趋势大大提高了传感器对人体与金属接近的区分度。

技术特征：

1.一种柔性四模态传感器，其特征在于，包括衬底，柔性介质层和顶部电极层，所述衬底中部设有螺旋线圈层，衬底中部开设有通孔，螺旋线圈层中心通过通孔连接至衬底背面并连接有第一电极，所述螺旋线圈层的末端连接有第二电极，所述柔性介质层粘附在螺线线圈层上，所述柔性介质层的上表面设有凸起层，所述顶部电极层设于凸起层上，所述顶部电极层包括材料层和叉指电极，所述材料层经过饱和氯化钠溶液处理后表面有大量氯化钠晶体，所述叉指电极设于材料层表面。

2.如权利要求1所述的柔性四模态传感器，其特征在于：所述通孔内设有导电银浆。

3.如权利要求1所述的柔性四模态传感器，其特征在于：所述凸起层由若干半球微结构排列组合而成。

4.如权利要求1所述的柔性四模态传感器，其特征在于：所述衬底为聚酰亚胺薄膜，所述材料层为纤维素纸。

5.权利要求1～4任一所述柔性四模态传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的柔性四模态传感器的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述导电银浆和石墨粉的质量比为4：0.13。

7.如权利要求5所述的柔性四模态传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤s2还包括，在螺旋线圈层中心处的衬底上开设通孔，通孔内挤入导电银浆使得螺旋线圈层中心连接第一电极。

8.如权利要求5所述的柔性四模态传感器的制备方法，其特征在于：所述螺线线圈层线宽250μm，匝数为10匝。

9.如权利要求5所述的柔性四模态传感器的制备方法，其特征在于：所述叉指电极具有5对叉指，每条叉指宽0.4mm，叉指间间距为0.6mm。

技术总结
本发明提供了一种柔性四模态传感器及其制备方法，所述传感器包括衬底，柔性介质层和顶部电极层，所述衬底中部设有螺旋线圈层，衬底中部开设有通孔，螺旋线圈层中心通过通孔连接至衬底背面并连接有第一电极，所述螺旋线圈层的末端连接有第二电极，所述柔性介质层粘附在螺线线圈层上，所述柔性介质层的上表面设有凸起层，所述顶部电极层设于凸起层上，所述顶部电极层包括材料层和叉指电极，所述材料层经过饱和氯化钠溶液处理后表面有大量氯化钠晶体。本发明传感器通过丝网印刷分别制备顶部电极层、衬底上螺线线圈层，然后各组成部件集成配合组装成，该传感器能够实现压力、接近度、湿度、温度四种物理参数的监测，并支持多种传感功能同时使用。

技术研发人员：张晓升,温丫丁,王彦,赵佳锋,金世超,李荧东,魏征
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：2024/11/14