[发明专利]一种可同时检测并区分温度和压力的双电极式柔性传感器及其制备方法与应用

说明书

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种可同时检测并区分温度和压力的双电极式柔性传感器及其制备方法与应用，为制备一种既具有柔性，又能够同时稳定、灵敏地输出温度和压力这两种互不干扰的信号的传感器，本发明通过将PMMA薄膜、表面设置有微米级金字塔图案的PDMS薄膜以及PEDOT：PSS与MXene的混合薄膜组装成三明治夹层结构的形式制备得到，具体包括上下基底保护层、中间摩擦起电材料层以及上下基底保护层与中间摩擦起电材料层之间的电极材料层，本发明的传感器柔韧性好，可以自由地进行大角度弯曲、扭转、卷曲等，利用本发明这种复合结构的传感器可同时进行温度和压力变化的检测，且两种检测信号的输出互不干扰。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种可同时检测并区分温度和压力的双电极式柔性传感器及其制备方法与应用。

背景技术

随着可穿戴设备、人造皮肤、医疗健康和运动检测等领域发展的迫切需求，柔性可穿戴器件的研究受到了越来越多的关注。柔性可穿戴器件能够在对被检测物不造成影响的情况下，很好的贴合在人体皮肤或者曲面物体的表面上，拥有更多的实际应用场景，能够实现对被检测物状态变化的实时监控和运动检测。在许多领域中，通常需要检测多个物理量进行综合分析和计算，才能准确、全面地反映出被测物的状态以及周围环境的状况，因此，具备多种检测功能的可穿戴传感器成为了近年来柔性传感器的重要发展趋势。其中，由于温度和压力是反映被测物和周围环境状态的最常用物理参数，故有关这两个参数的检测传感器的研究受到了最为广泛的关注。由此可见，创制能够同时检测并且区分温度和压力的传感器已经成为了目前人工智能和可穿戴设备发展的热门研究领域。

在温度传感方面，检测温度的传感器类型主要有热电偶、电阻式温度传感器、红外线和半导体温度传感器。在压力传感方面，常规压力传感器按敏感机理不同主要分为压阻式、压电式、电容式、光传感器式、磁传感式、超生传感式和机械传感式等。但上述温度或压力传感器是由非柔性材料制备，硬度较大，无法应用于三维物品的表面、用来测量三维物体的表面温度及分布情况。同时，常规的温度或压力传感器是相互分立单独测量的，不仅增加了后续的设计成本，而且增加了测量空间。

随着柔性传感器的普及，柔性温度或压力传感器得到了发展，比如由聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)等聚合物热电材料混合制成的薄膜柔性电极，其电阻随着温度升高而降低，具有很高的热敏性，因此可用来测量温度的变化。在2012年由王中林教授提出的摩擦纳米发电机，已经在纳米材料和能源材料领域得到了重大关注。其中接触分离式的双电极摩擦纳米发电机因其结构稳定，能够检测微小压力变化输出电信号，而且相比于单电极模式的摩擦纳米发电机，其信号输出性能受周围环境的影响较小，因此受到人们的格外关注。

然而，如何制备一个既具有柔性，又能够同时稳定、灵敏地输出温度和压力这两种互不干扰的信号的传感器成为目前研究的重点和难点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的首要目的是提供一种可同时检测并区分温度和压力的双电极式柔性传感器。

本发明的第二个目的是提供上述双电极式柔性传感器的制备方法。

本发明的第二个目的是提供上述双电极式柔性传感器在制备柔性可穿戴器件中的应用。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明提供一种可同时检测并区分温度和压力的双电极式柔性传感器，该双电极式柔性传感器为三明治夹层结构，包括上下基底保护层、中间摩擦起电材料层以及上下基底保护层与中间摩擦起电材料层之间的电极材料层，所述上下基底保护层为柔性有机物PMMA薄膜，所述中间摩擦起电材料层为表面设置有微米级金字塔图案的PDMS薄膜，所述电极材料层为PEDOT：PSS与MXene的混合薄膜。

本发明还提供了可同时检测并区分温度和压力的双电极式柔性传感器的制备方法，该方法具体包括以下步骤：