[发明专利]基于碳纳米管薄膜的可穿戴压力传感器及其制造方法

说明书

本发明属于人体可穿戴压力传感器相关技术领域，其公开了一种基于碳纳米管薄膜的可穿戴压力传感器及其制造方法，该压力传感器包括感测机构，感测机构包括密封盒、多孔陶瓷板、工作电极、对电极及柔性聚合物薄膜，多孔陶瓷板开设有凹槽，对电极设置在凹槽内；工作电极设置在多孔陶瓷板上，且其覆盖凹槽；凹槽用于收容电解液；柔性聚合物薄膜设置在密封盒上，其用于将多孔陶瓷板、工作电极及对电极密封在密封盒内；压力传感器是采用碳纳米管薄膜的压力‑诱导电化学电势变化特性来将压力能转化为电能的，进而实现待测压力的实时监测。本发明环境适应性好，可应用于水环境，且准确性较好。

技术领域

本发明属于人体可穿戴压力传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种基于碳纳米管薄膜的可穿戴压力传感器及其制造方法。

背景技术

在人体运动及生理信号探测领域，压力变化作为一种重要信息，可用于记录人体运动情况及分析生理健康情况，其所依赖的主要监测工具为压力传感器，在生物医疗、智能传感、运动记录和监测以及人体仿生等领域具有广阔的应用场景。人体运动及生理信号的实时监测，有助于更加准确地评估人体健康状况，提供早期疾病预警，因此智能可穿戴压力传感器受到了广泛关注和发展。

当前智能可穿戴压力传感器按照工作机理不同，可分为四大类：电阻型、电容型、压电型和摩擦电型。电阻型和电容型传感器在受到外界压力作用时通过自身产生形变(或者位移)来引起电阻和电容的变化，以实现外界压力的探测。这两类传感器均具有超高的灵敏度，并且其工作时的形变特性赋予了传感器柔性变形的特点，拓宽了其在人体运动及生理信号监测中的适用场景。然而，这两类传感器在工作时均需要外接电源，实时监测时需要大量能源，极大地限制了其在可穿戴传感领域的应用。为了克服能源消耗问题，自供电可穿戴的压电型压力传感器应运而生，其在工作过程中自主产生响应于外接压力变化的电信号，无需外接电源。然而，其在工作过程中往往需要多级信号放大系统，增大了传感器的体积，可穿戴舒适度和便捷携带度较低，制约了其在人体运动及生理信号监测中的广泛适用性。此外，该类传感器的输出功率和能量均较低，不能驱动其他可穿戴器件工作。为了减小可穿戴器件体积，增大响应于压力变化的电信号，可穿戴摩擦电型压力传感器受到了广泛关注，该类器件依靠电极接触分离模式实现电荷的转移，从而实现外界压力的感知。这类传感器解决了压电型传感器件的压力响应信号小，功率低的问题，同时还可制备成柔性变形传感器件，在可穿戴压力传感领域展现出了巨大的应用前景。然而，环境中的水分会引起摩擦电型压力传感器件中的电荷消散，降级其传感性能，即工作稳定性下降，而人体日常活动中又不可避免地接触水分环境，如雨季环境、日常清洗、水上航行和漂流游泳等等，限制了摩擦电型压力传感器的应用。相应地，本领域存在着发展一种环境适应性较好的可穿戴压力传感器及其制造方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于碳纳米管薄膜的可穿戴压力传感器及其制造方法，其基于现有压力传感器的工作特点，针对压力传感器的结构进行了设计。本发明所提供的压力传感器在待测压力作用下，其工作电极的电化学可用面积发生变化，进而引起电化学双电层电容发生变化，而其吸附平衡电荷量保持不变，所述压力传感器能够产生一定的电势变化，从而将外界压力能转化为电能，且外界压力与产生的实时电流具有对应关系，测量得到实时电流，进而根据所述对应关系将所述实时电流转变为对应的压力，可实现水分环境中的压力实时监测，该压力传感器具有较好的环境适应性，具有自供电功能，且电流响应信号较大。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于碳纳米管薄膜的可穿戴压力传感器，该压力传感器包括感测机构，所述感测机构用于将待测压力的压力能转化为电能，其包括密封盒、多孔陶瓷板、工作电极、对电极及柔性聚合物薄膜，所述多孔陶瓷板开设有凹槽，所述对电极设置在所述凹槽内；所述工作电极设置在所述多孔陶瓷板上，且其覆盖所述凹槽；所述凹槽用于收容电解液，所述电解液用于浸润所述工作电极；所述柔性聚合物薄膜设置在所述密封盒上，其用于将所述多孔陶瓷板、所述工作电极及所述对电极密封在所述密封盒内；