本發(fā)明屬于柔性傳感器，具體是一種同時(shí)感知壓力與溫度的柔性傳感器及制備方法。
背景技術(shù)：
1、近年來，柔性電子技術(shù)作為一種新興技術(shù)受到廣泛關(guān)注，基于此技術(shù)制造出的柔性傳感器已經(jīng)應(yīng)用于電子皮膚、健康監(jiān)測(cè)、航空航天等領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的硅基傳感器，柔性傳感器具有良好的柔韌性和延展性，可以應(yīng)用于多種復(fù)雜環(huán)境中。
2、柔性傳感器一般可用于測(cè)量力、應(yīng)變、溫度、濕度、流速、光照強(qiáng)度等物理量，然而，大多數(shù)柔性傳感器只能監(jiān)測(cè)一種物理量，無法滿足多物理量的監(jiān)測(cè)需求。因此，開發(fā)能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)多種物理量且不會(huì)發(fā)生信號(hào)串?dāng)_的柔性傳感器具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用潛力。
3、碳納米材料因電導(dǎo)率良好、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕且重量較輕等優(yōu)勢(shì)，常被用于制備柔性傳感器。然而，碳納米材料因其較大的范德華力容易發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降，滲透閾值增大。因此，碳納米材料在復(fù)合材料中的分散性決定了復(fù)合材料的導(dǎo)電性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種同時(shí)感知壓力與溫度的柔性傳感器及制備方法。
2、本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用如下的技術(shù)方案：
3、一種同時(shí)感知壓力與溫度的柔性傳感器，由上至下依次為聚酰亞胺薄膜、壓力傳感層、緩沖層、溫度傳感層和聚酰亞胺薄膜；其特征在于，所述壓力傳感層采用碳納米管/石墨烯/聚二甲基硅氧烷復(fù)合導(dǎo)電薄膜制成；
4、所述壓力傳感層的制備包括以下步驟：
5、第一步：將石墨烯和碳納米管按照質(zhì)量比1:1加入到極性溶劑中，并進(jìn)行超聲分散；石墨烯和碳納米管的質(zhì)量均為0.05～0.1g，極性溶劑的體積為50～80ml；超聲分散的環(huán)境溫度為5～15℃，功率為1200w，間歇性處理1～1.5h；
6、第二步：將5～7g聚二甲基硅氧烷主劑加入到超聲分散后的溶液中，并進(jìn)行加熱和磁力攪拌；采用加熱臺(tái)加熱時(shí)，加熱溫度為100～120℃；采用水浴加熱時(shí)，加熱溫度為70～90℃；磁力攪拌轉(zhuǎn)速為150～250rpm，攪拌時(shí)間為2～4h；
7、第三步：在第二步得到的混合物中滴加非極性溶劑和0.5～0.7g聚二甲基硅氧烷固化劑，并在常溫下進(jìn)行磁力攪拌；磁力攪拌轉(zhuǎn)速為100～200rpm，攪拌時(shí)間為10～20min；
8、第四步：對(duì)第三步得到的漿料進(jìn)行真空脫泡處理5～10min；
9、第五步：將脫泡處理過的漿料倒入模具中，并放入干燥箱中進(jìn)行固化，得到碳納米管/石墨烯/聚二甲基硅氧烷復(fù)合導(dǎo)電薄膜；固化溫度為60～80℃，固化時(shí)間為2～4h。
10、進(jìn)一步的，當(dāng)采用0.05g片徑10000nm、厚度4nm的石墨烯，0.05g長(zhǎng)度12000nm、直徑80nm的碳納米管，6g聚二甲基硅氧烷主劑以及0.6g聚二甲基硅氧烷固化劑時(shí)，壓力傳感層的電阻溫度系數(shù)接近于零。
11、進(jìn)一步的，所述極性溶劑選用異丙醇、乙醇、丙醇或水，非極性溶劑選用二甲苯，且二甲苯質(zhì)量為8～10g。
12、進(jìn)一步的，所述溫度傳感層的制備包括以下步驟：
13、第一步：將5～7g碳墨與0.3～0.5g洗網(wǎng)水進(jìn)行混合，并在常溫下進(jìn)行磁力攪拌；磁力攪拌轉(zhuǎn)速200～300rpm，攪拌時(shí)間為2～4h；
14、第二步：采用絲網(wǎng)印刷網(wǎng)板將攪拌后的溶液印刷在聚酰亞胺薄膜上，并放入干燥箱中進(jìn)行固化，得到溫度傳感層；固化溫度為60～80℃，固化時(shí)間為2～4h。
15、進(jìn)一步的，所述緩沖層采用聚二甲基硅氧烷彈性體制成，厚度為1～2mm。
16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
17、本發(fā)明的柔性傳感器通過負(fù)電阻溫度系數(shù)的碳納米材料與具有熱膨脹效應(yīng)的聚二甲基硅氧烷復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了電阻溫度系數(shù)接近于零的壓力傳感，這是由于聚二甲基硅氧烷熱膨脹后體積增大導(dǎo)致導(dǎo)電路徑減少，與碳納米材料本身的負(fù)電阻溫度系數(shù)形成補(bǔ)償。而碳納米管作為一種一維納米材料，細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其很容易發(fā)生團(tuán)聚，因此添加石墨烯可以有效分隔碳納米管，提高碳納米管的分散性，進(jìn)而增強(qiáng)復(fù)合導(dǎo)電薄膜的電學(xué)性能，降低滲透閾值并提高電導(dǎo)率。
18、首先將碳納米管加入到極性溶劑中進(jìn)行超聲分散，再加入聚二甲基硅氧烷主劑加熱攪拌至極性溶劑揮發(fā)完畢，之后再加入非極性溶劑和聚二甲基硅氧烷固化劑。沒有直接將碳納米管加入到非極性溶劑中并進(jìn)行后續(xù)處理的原因是，相比于非極性溶劑，碳納米管在極性溶劑中的分散性更好；而最后添加聚二甲基硅氧烷固化劑的目的是，為了使碳納米管和聚二甲基硅氧烷主劑充分混合，提前加入聚二甲基硅氧烷固化劑會(huì)導(dǎo)致聚二甲基硅氧烷發(fā)生交聯(lián)，使碳納米管與聚二甲基硅氧烷混合不均勻，非極性溶劑則可以使得到的漿料更具有流動(dòng)性，方便倒入模具。
19、本發(fā)明利用聚二甲基硅氧烷彈性體作為緩沖層，將壓力傳感層和溫度傳感層分隔開，避免溫度傳感層受到壓力傳感層的影響而引發(fā)信號(hào)串?dāng)_。通過絲網(wǎng)印刷法制備蛇形結(jié)構(gòu)的溫度傳感層，使得溫度傳感層的厚度足夠薄，能夠最大限度地避免壓力直接作用于溫度傳感層。同時(shí)，蛇形結(jié)構(gòu)也能在一定程度上抵抗傳感器彎折導(dǎo)致的電阻變化。
1.一種同時(shí)感知壓力與溫度的柔性傳感器，由上至下依次為聚酰亞胺薄膜、壓力傳感層、緩沖層、溫度傳感層和聚酰亞胺薄膜；其特征在于，所述壓力傳感層采用碳納米管/石墨烯/聚二甲基硅氧烷復(fù)合導(dǎo)電薄膜制成；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時(shí)感知壓力與溫度的柔性傳感器，其特征在于，當(dāng)采用0.05g片徑10000nm、厚度4nm的石墨烯，0.05g長(zhǎng)度12000nm、直徑80nm的碳納米管，6g聚二甲基硅氧烷主劑以及0.6g聚二甲基硅氧烷固化劑時(shí)，壓力傳感層的電阻溫度系數(shù)接近于零。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的同時(shí)感知壓力與溫度的柔性傳感器，其特征在于，所述極性溶劑選用異丙醇、乙醇、丙醇或水，非極性溶劑選用二甲苯，且二甲苯質(zhì)量為8～10g。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時(shí)感知壓力與溫度的柔性傳感器，其特征在于，所述溫度傳感層的制備包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時(shí)感知壓力與溫度的柔性傳感器，其特征在于，所述緩沖層采用聚二甲基硅氧烷彈性體制成，厚度為1～2mm。