[發明專利]一種高靈敏度、寬響應范圍柔性應力/應變傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 202011431259.3
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112697033A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 李愛東;滕福瑞;房佳斌;子陶清;任強;劉暢;吳迪
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;G01L1/22
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明公開了一種高靈敏度、寬響應范圍柔性應力/應變傳感器及其制備方法，屬于傳感器領域，獲得具有超高靈敏度、超低檢測限、寬拉伸范圍、快響應時間和超高穩定性的柔性應力/應變傳感器。本發明的柔性應力/應變傳感器從下往上依次為具有篩網結構的可拉伸聚合物基底、金屬薄膜、金屬納米顆粒@碳納米管復合層、金屬薄膜、聚合物保護膜；傳感功能層為金屬薄膜/金屬納米顆粒@碳納米管復合層/金屬薄膜，獲得了超寬量程（應變0.02%~90%）和超高靈敏度（最高GF值為13590），快的響應速度（~100ms）和優異的循環穩定性（≥18000次）。且應用在人體運動檢測、人體脈搏監測和聲音檢測等場景中，獲得了較好的效果。

技術領域

本發明屬于傳感器領域，尤其涉及一種高靈敏度、寬響應范圍柔性應力/應變傳感器及其制備方法。

背景技術

柔性應力/應變傳感器是將應力/應變轉換為可測量電信號的一類器件，該類器件在電子皮膚、人機交互、可穿戴設備、醫療等多領域擁有巨大應用前景。此類傳感器性能主要包括靈敏度、可拉伸范圍、響應與回復時間、穩定性等。

電阻型柔性應力/應變傳感器常用的導電網絡材料包括碳黑(CB)、碳納米管(CNT)、石墨烯、金屬納米顆粒和銀納米線等導電材料。其中碳納米管(CNT)具有良好的力學性能(高抗拉強度、高彈性模量)以及良好的導電性。以碳納米管為導電填料的柔性應力/應變傳感器拉伸范圍大，但靈敏度低；而導電填料為金屬納米顆粒類傳感器則正好相反，靈敏度高，但拉伸范圍小。除導電填料外，影響柔性應力/應變傳感器性能的還包括柔性基底以及電極。研究表明，包含特定微結構的柔性基底，具有較大的比表面積，有利于形成導電填料的復雜電學行為，從而得到更高的靈敏度及快速的響應時間。因此發展具有特定微結構和架構的新型應力/應變傳感器是解決高靈敏度、寬拉伸范圍這一矛盾的有效途徑。

發明內容

本發明提供了一種高靈敏度、寬響應范圍柔性應力/應變傳感器及其制備方法，獲得了一種具有超高靈敏度、超低檢測限、寬拉伸范圍、快響應時間和超高穩定性的柔性應力/應變傳感器。

為實現以上目的，本發明采用以下技術方案：

一種高靈敏度、寬響應范圍柔性應力/應變傳感器，所述傳感器從下往上依次為具有篩網結構的可拉伸聚合物基底、傳感功能層、聚合物保護膜；所述傳感功能層為金屬薄膜/金屬納米顆粒@碳納米管復合層/金屬薄膜。

以上所述結構中，所述具有篩網結構的可拉伸聚合物基底為龍鱗甲(DragonSkin)、硅橡膠或丙烯酸酯彈性體中的任意一種基底；所述金屬薄膜為Pt、Au、Cu、Ag、Al、Mg、Fe、Co、Ti、Zn、Ta、Ni或其合金，厚度約為50-200nm；所述金屬納米顆粒@碳納米管復合層厚度約為10-50μm，其中金屬納米顆粒為Ir、Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ti、Zn、Fe、Co、或Ni。

一種高靈敏度、寬響應范圍柔性應力/應變傳感器的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：將金屬篩網剪裁后用去離子水清洗干凈烘干后固定在載玻片上作為模板；

步驟二：將聚合物單體溶液澆注在金屬篩網表面，在40℃-80℃固化2-24h后撕下，即得到金屬篩網圖案化的聚合物薄膜；

步驟三：用磁控濺射或真空蒸鍍的方法在步驟二得到的聚合物薄膜上沉積一層金屬薄膜；

步驟四：利用原子層沉積或化學溶液法或物理氣相方法在碳納米管上生長金屬納米顆粒；

步驟五：將步驟四得到的金屬納米顆粒-碳納米管復合材料以1-5mg/mL分散于乙醇中，再超聲1h將其均勻分散；

步驟六：將分散液均勻滴涂于步驟三中的金屬層上，然后在40℃干燥1h；