[發明專利]一種基于荷葉微棘突/MXene復合結構的仿生柔性壓力傳感器

有效

• 申請號: 201910664135.0
• 申請日: 2019-07-23
• 公開（公告）號: CN110501095B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 盧紅亮;趙學峰;杭成洲;張衛
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;王潔平

本發明公開了一種基于荷葉微棘突/MXene復合結構的仿生柔性壓力傳感器。該傳感器包括：壓力感知層——帶有荷葉表面微棘突結構的聚二甲基硅氧烷（PDMS）；壓力處理層——多層Ti₂C?MXene薄膜；信號輸出層——柔性電極，用于支撐保護Ti₂C?MXene薄膜及輸出壓力信號轉化的電信號。本發明的基于荷葉微棘突/MXene復合結構的仿生柔性壓力傳感器無需進行復雜的結構設計和制作工藝就能兼具高靈敏度、寬線性度、低響應時間、高穩定性等優良特性。

技術領域

本發明屬于柔性電子及可穿戴器件領域及新材料技術領域，具體為一種基于荷葉微棘突/MXene復合結構的仿生柔性壓力傳感器。

背景技術

柔性電子器件是相對于傳統的在硅圓片上制作的固態硬質電路的一個概念。這一類電子器件能夠將原本只能在硅基硬質襯底上實現的電路，傳感器，天線，執行器等電子器件通過各種不同的方式制作在柔性襯底上。使之在實現原本的器件功能的同時具備柔性特性。隨著信息社會的發展，物聯網技術的不斷進步，人們對周邊環境信息的采集深度與廣度不斷提升，柔性壓力傳感器作為一類十分重要的信息采集器件得到越來越廣泛的應用。不僅如此，以柔性傳感技術替代傳統的傳感技術，顛覆了對傳統電子器件、傳感器件及系統等形態和功能的認知，該類器件為社會生活的多個方面帶來了革命性變化，有望被廣泛地應用在機器人、醫療診斷、可穿戴電子設備，甚至人工器官、人機交互、智能蒙皮等領域，針對柔性壓力傳感器的研究也成為近年來的熱點。

然而，盡管它們可以在許多報告中實現簡單的應用顯示，柔性壓力傳感器仍然不是生產壽命領域的一部分。這種缺失的一個主要原因是壓力傳感器的靈敏度和穩定性之間的權衡沒有得到很好的平衡，更具體地說，缺乏對被測對象進行實時和長期可靠測量和區分的能力。

針對上述問題，已有研究團隊提出采用不同形貌的先進材料來解決。特別是金屬材料和具有不同形貌的碳基材料，由于其優異的電性能和機械性能，被用作壓力傳感器的傳感元件或導電填料。此外，還引入了不同的微結構或納米幾何結構（金字塔、納米線、半球和棱鏡），以提高平面結構壓力傳感器的靈敏度和檢測極限。然而，它們中的大多數在具有高靈敏度的同時沒有寬的線性度，對低強度的外部刺激極不敏感。此外，還存在一些技術瓶頸，如高成本限制批量生產、識別結果精度低等。因此，研制一種與人體皮膚相似具有復雜傳感系統的柔性壓力傳感器，不僅是一個巨大的挑戰，也是一個重要的研究課題。

自然界常常為工程領域的發展提供靈感，特別是具有各種仿生結構的人造電子器件。表皮是生物皮膚中最重要的壓力感知組織（圖1a），其原因之一是表皮下有一層棘突。這種微觀結構的一個特別有趣的特征是棘突隨機分布——確保對物體附著的影響作出高度敏感的反應，在傳入刺激中起到關鍵作用，以增強壓力感知。令人驚訝的是，自然界中荷葉的表面結構（圖1b）與此結構非常相似。這使得設計一種具有與人體皮膚相似的高壓傳感特性的柔性電子皮膚成為可能。

MXene作為新型2D過渡金屬碳化物，碳氮化物和氮化物，具有良好的強度，優異的金屬導電性，較大的比表面積等優異特性。在眾多領域引起了廣泛的關注和研究。另一方面，與最廣泛研究的Ti₃C₂-MXene相比，Ti₂C具有更薄的單層厚度和更大的比表面積，因為Ti₂C由兩個Ti層和一個C層組成，而Ti₃C₂由三個Ti層和兩個C組成層。Ti₂C的上述優勢使得在壓力負荷下電導率變化大于Ti₃C₂，這將大大提高傳感器的靈敏度。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明以人體皮膚表皮組織結構為靈感，制備了一種三層結構的基于荷葉微棘突/MXene復合結構的仿生柔性壓力傳感器。傳感器中壓力感知層的微結構與人體表皮結構相似，具有很好的仿生性；傳感器靈敏度高，響應度高，線性度寬，穩定性好。

本發明的技術方案具體介紹如下。