[发明专利]一种柔性纳米膜压力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性纳米膜压力传感器及其制备方法，该传感器由两个表面镀金的聚乙烯醇纳米纤维膜和中间的离子凝胶纳米纤维膜组成三明治结构。其中，聚乙烯醇纳米纤维即是电极的支撑材料，同时也作为胶水将三层薄膜结构粘在一起，对器件结构与起到固定作用。该压力传感器全纳米纤维的结构使得器件具有轻薄透气与皮肤兼容性好的特点，适用于长时间人体佩戴与健康监测。此外，nF级别的双电层电容使得该器件具有很高的信噪比。通过该方法制得的薄膜压力传感器，在0.05‑80kPa的宽压力范围内具有超高的线性度(0.99)和灵敏度(5.9kPa^‑1)，有利于后期信号处理的简化，从而降低整个可穿戴系统的复杂度。

技术领域

本发明涉及电子皮肤触觉传感技术领域，具体涉及一种柔性纳米膜压力传感器及其制备方法。

背景技术

柔性电子皮肤作为可穿戴设备，由于其与皮肤的兼容性好，佩戴舒适等特点具有广阔的应用前景。

目前柔性压力传感器在材料，微结构，器件结构等方面不断改进和提升，通过参杂碳纳米管、石墨烯等材料，或者通过添加表面微结构阵列等方法来提升器件灵敏度。然而，由于人体自身存在电容，传统的电容式触觉传感器很容易受到外界干扰。此外，目前的柔性电子皮肤普遍存在线性度不高，模量大等缺点。

因此，纳米纤维膜结构以及离电式传感在电子皮肤领域具有广阔的应用空间，为目前存在的问题提出了很好的解决方案。

发明内容

本发明为了解决现有压力传感器存在的线性度低，电容信号易受干扰等问题，提出了一种柔性纳米膜压力传感器及其制备方法。

本发明采用以下技术方案

一种柔性纳米膜压力传感器，所述传感器由两片镀有金电极的聚乙烯醇纳米纤维膜，以及中间离子凝胶纳米纤维膜组成三明治结构；所述聚乙烯醇纳米纤维膜镀有金电极的一面相对叠合，金电极在聚乙烯醇纳米纤维膜表面未完全覆盖，四周留有宽度为0.3mm的空白区域作为与离子凝胶纳米纤维的粘连区域。

进一步的，所述离子凝胶纳米纤维膜的平均厚度为50～80μm。

一种柔性纳米膜压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、制备聚乙烯醇纳米纤维膜；

步骤S2、在步骤S1所得聚乙烯醇纳米纤维膜表面镀金电极；

步骤S3、聚乙烯醇纳米纤维膜表面镀金电极后，在金电极的末端用导电银胶焊一根铜线；

步骤S4、离子液体和聚合物混合制备前驱液体，随后通过静电纺丝制备离子凝胶纳米纤维膜；

步骤S5、将两片表面镀金电极的聚乙烯醇纳米纤维膜与离子凝胶纳米纤维膜组装成单个传感器。

进一步的，所述步骤S1，包括以下几个具体步骤：

步骤S11，将聚乙烯醇加入溶剂纯水中，质量比为1：9；加入搅拌子，在70摄氏度温度下水浴加热搅拌至全部溶解，然后在室温下静置，消除搅拌过程产生的气泡，得到静电纺丝的前驱液体；

步骤S12，所得的前驱液体倒入针管，在机械泵的驱动和高压电场的作用下，针头中的液体向接收器喷射，并形成聚乙烯醇纳米纤维膜；使用针头型号为22G，将高压电压与针头连接，接收器接地，接收器转速为40rpm，施加的高压电压为20kV，机械泵的堆料速度为5μL/min，湿度为60％～70％，温度为20℃～25℃。

进一步的，所述步骤S2，包括以下具体步骤：

步骤S21，将自制掩模覆盖于聚乙烯醇纳米纤维膜表面；

步骤S22，将有掩模覆盖的聚乙烯纳米纤维膜放入磁控溅射的基片区域，采用金靶作为靶材；抽真空后，开启电压，使金原子沉积在聚乙烯醇纳米纤维膜表面。