[發明專利]一種碳纖維基壓阻式壓力傳感陣列及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202211181412.0
• 申請日: 2022-09-27
• 公開（公告）號: CN115389064A
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 楊偉東;陳永霖;丁文暄;郭永光;劉明嘉;李巖
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;G01L1/22;G01L9/06;G01L9/04;A61B5/00;A61F2/76
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發明涉及一種柔性壓力傳感器，具體涉及一種碳纖維基壓阻式壓力傳感陣列及其制備方法和應用，包括一對柔性基底以及封裝于柔性基底之間的壓力傳感層；所述的壓力傳感層由兩組電極組通過導電復合材料固定連接形成；兩組電極組分別包括若干等間距平行設置的電極，且兩組電極組正交設置形成陣列。與現有技術相比，本發明提高壓力傳感器的制備效率、降低制備成本。

技術領域

本發明涉及一種柔性壓力傳感器，具體涉及一種碳纖維基壓阻式壓力傳感陣列及其制備方法和應用。

背景技術

作為人體最大的身體器官，皮膚不僅具有保護、分泌和呼吸的基本功能，也是一個重要的人類軀體感知系統，與我們的現實世界互動和溝通。通過模仿自然皮膚特性和功能刺激，許多學者相繼開發基于柔性傳感器的仿生電子皮膚(e-skin)，并應用在可穿戴健康監測設備、智能假肢、人工智能、人機交互和機器人技術等領域。基于柔性傳感器的電子皮膚能夠檢測和量化環境刺激的多樣性，包括溫度、濕度、壓力和振動等，并將它們實時轉換為可視化電子脈沖。柔性壓力傳感器是柔性電子器件中最重要的一類，具有靈敏度高、測量范圍廣、可貼合任意形狀曲面的優點，并能在典型的人體活動所產生的壓力下生成電信號，如身體接觸和人體有規律的生理過程等，在人機交互、健康監測、軟體機器人等前沿領域有廣泛應用前景。

根據不同的物理傳感機制，柔性壓力傳感器可分為壓阻、壓電容、摩擦電和壓電式傳感器。其中，基于“壓阻傳感機制”的柔性壓力傳感器(通過將外界壓力轉化為電阻信號)由于其易于制造、結構簡單、讀出電路簡單、靈敏度高、成本低以及可用金屬涂層/納米粒子/納米線等形式制備等優點，因此在實際應用中顯示出巨大潛力。壓阻式傳感器通常使用彈性體和導電納米材料，彈性體有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、聚酰亞胺(PI)和硅橡膠(SR)等材料。PDMS由于其商業可獲得性、良好的可拉伸性以及對人體皮膚的親和性、無毒無害等特性，已被廣泛應用于柔性電子設備和可穿戴設備上；碳納米管(CNTs)、石墨烯(GR)、M-Xene、PEDOT:PSS、金屬納米線和納米顆粒等多種納米材料因其優異的電性能和機械性能而被用于壓阻式傳感器中用來提高彈性體的拉伸性能和靈敏度，或通過將其以膜的形式覆蓋于柔性彈性體表面以構筑導電網絡用以傳感響應。其中，CNTs的高長徑比、低滲流閾值、良好的導電性能和機械性能，使得CNTs網絡具有良好的傳感能力，因而CNTs也成為了壓阻式柔性壓力傳感器的理想材料。然而，傳統的壓力傳感陣列通常需要將較多的壓力傳感單元進行集成，這不僅加大了工作量，還進一步增大了制備成本，限制了其大規模批量生產。

迄今為止，柔韌性、可拉伸性、靈敏度、超共形性及機械耐久性成為目前電子皮膚最受關注和最熱門的研究方向。而為了克服電子皮膚現存的不足，通過對材料的設計和/或彈性體表面微結構的設計，繼而開發兼具寬壓力范圍、快速響應時間、高線性和低滯后壓力響應的靈敏且穩定的柔性壓力傳感器已成為主流。盡管越來越多的柔性壓力傳感器已證實了其在人體健康監測和醫療檢測的可行性，而實現大面積且兼具高靈敏度的柔性壓力傳感器的量產仍然是一個巨大挑戰。此外，構建一種可大面積制備并能夠精確識別壓力空間分辨的壓力傳感陣列，可進一步擴寬其在可穿戴健康監測系統、電子假肢和智能機器人等領域的應用。

綜上所述，尋找一種工藝簡單、成本低廉、大小可控的壓力傳感陣列的制備方法，并制備出大面積、高靈敏度且可精確識別壓力空間分布的壓力傳感陣列具有重大意義及實用價值。

發明內容

本發明的目的就是為了解決上述問題至少其一而提供一種碳纖維基壓阻式壓力傳感陣列及其制備方法和應用，以提高壓力傳感器的制備效率、降低制備成本。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

本發明第一方面公開了一種碳纖維基壓阻式壓力傳感陣列，包括一對柔性基底以及封裝于柔性基底之間的壓力傳感層；

所述的壓力傳感層由兩組電極組通過導電復合材料固定連接形成；兩組電極組分別包括若干等間距平行設置的電極，且兩組電極組正交設置形成陣列。