[發明專利]雙功能柔性傳感器及其制備方法、可穿戴設備

在審

• 申請號: 201810081305.8
• 申請日: 2018-01-26
• 公開（公告）號: CN110081808A
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發明（設計）人: 趙更銳;李琳琳;張曉笛;其他發明人請求不公開姓名
• 申請（專利權）人: 北京納米能源與系統研究所
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;G01L1/16
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

本發明公開了一種雙功能柔性傳感器及其制備方法、可穿戴設備。其中，雙功能柔性傳感器包括：碳化纖維層，摻雜有壓電納米顆粒；以及柔性絕緣層，封裝該摻雜有壓電納米顆粒的碳化纖維層。在該雙功能柔性傳感器與外界物體接觸或者受到拉伸、彎曲等形變時，基于碳化纖維層的阻抗變化、傳感器與外界物體的接觸摩擦、以及壓電納米顆粒的晶格變化產生的壓電效應這三種工作原理，實現了曲率、壓力傳感兩種工作模式，具有良好的柔韌性、便攜性、自驅動壓力傳感、以及壓力探測靈敏度較高的特點；該柔性傳感器的模塊化程度高，可以應用在不同的身體部位，實現多個物理量的測量，實現多種人體活動的傳感，應用范圍廣泛。

技術領域

本公開屬于傳感器技術領域，涉及一種雙功能柔性傳感器及其制備方法、可穿戴設備。

背景技術

近年來，隨著智能終端的普及，柔性可穿戴設備呈現出巨大的市場前景，吸引了研究人員與商業團體的興趣。這些設備大都具有小型化、便攜性的特點，在人機交互技術與物聯網領域有很大的應用潛力。傳感器作為核心部件之一，將會影響可穿戴設備的功能設計與未來發展。目前很多具有不同探測功能的傳感器已經被開發應用，比如探測熱、壓力、應變或化學物質的傳感器等。而在傳感器可探測的性能基礎上增加柔性的特性，無疑使其應用場景和范圍大大拓寬，便于攜帶或者進行穿戴，更有助于幫助人類擴展感知范圍，提高用戶體驗。

柔性可穿戴傳感器可探測的物理變化可以是脈搏、心臟跳動，或者是眨眼，肢體運動等。基于不同材料的柔性傳感器已經有人研究，利用不同傳感機理的傳感器也有很多。尤其最近，基于摩擦納米發電機的傳感器實現了各式各樣的物理量測量。然而，絕大多數傳感器都是基于一種機理實現單一的功能，實現多種測量功能的傳感器還是鮮有人提出。在功能多樣化和集成化需求越來越迫切的推動下，有必要提出一種同時能夠實現兩種或多種物理量的測量的柔性傳感器。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本公開提供了一種雙功能柔性傳感器及其制備方法、可穿戴設備，以至少部分解決以上所提出的技術問題。

(二)技術方案

根據本公開的一個方面，提供了一種雙功能柔性傳感器，包括：碳化纖維層，摻雜有壓電納米顆粒；以及柔性絕緣層，封裝該摻雜有壓電納米顆粒的碳化纖維層。

在本公開的一些實施例中，碳化纖維層的纖維材料包括如下材料中的一種：聚丙烯腈纖維、酚醛樹脂纖維；和/或碳化纖維層的厚度介于50μm～500μm之間；和/或碳化纖維的纖維直徑介于200nm～1.5μm之間。

在本公開的一些實施例中，壓電納米顆粒包括如下材料中的一種或幾種：鈦酸鋇、氧化鋅、鐵酸鉍、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛、偏鈮鎂酸納；和/或壓電納米顆粒的粒徑介于5nm～100nm之間。

在本公開的一些實施例中，柔性絕緣層的材料包括如下材料中的一種：柔性硅膠或者聚二甲基硅氧烷。

在本公開的一些實施例中，該雙功能柔性傳感器作為壓力傳感器，實現自驅動的壓力傳感；或者該雙功能柔性傳感器作為曲率傳感器，實現對彎曲的傳感，所述彎曲表示彎曲量或彎曲狀態；或者該雙功能柔性傳感器同時作為壓力傳感器和曲率傳感器，同時實現對壓力和彎曲的傳感。

根據本公開的另一個方面，提供了一種雙功能柔性傳感器的制備方法，包括：制備摻雜有壓電納米顆粒的纖維層；碳化處理摻雜有壓電納米顆粒的纖維層，得到摻雜有壓電納米顆粒的碳化纖維層；以及封裝該摻雜有壓電納米顆粒的碳化纖維層，完成雙功能柔性傳感器的制備。

在本公開的一些實施例中，制備摻雜有壓電納米顆粒的纖維層的步驟包括：配置壓電納米顆粒和聚合物纖維材料的靜電紡絲溶液，采用靜電紡絲工藝對該靜電紡絲溶液進行紡絲，制備得到摻雜有壓電納米顆粒的纖維層，其中，靜電紡絲的溫度介于15℃～30℃之間，濕度小于30％，紡絲電壓介于1kV～25kV之間。