温度湿度压力传感器及其制备方法、电子皮肤技术

本发明专利技术公开了一种温度湿度压力传感器及其制备方法、电子皮肤。其中，温度湿度压力传感器包括：第一结构层，包括第一弹性体以及覆盖于至少部分第一弹性体表面上的还原氧化石墨烯，所述第一弹性体中含有锰掺杂的硫化锌；第二结构层，包括第二弹性体以及覆盖于至少部分第二弹性体表面上的氧化石墨烯；第一结构层位于第二结构层之上或者之下。本发明专利技术的温度湿度传感器将ZnS:Mn掺入到弹性体PDMS中，在PDMS上集成温度传感模块，并且与湿度传感模块层压，实现了可视化的压力传感。

Temperature and humidity pressure sensor and its preparation method, electronic skin

【技术实现步骤摘要】
温度湿度压力传感器及其制备方法、电子皮肤
本专利技术涉及柔性的电子皮肤领域，特别涉及温度湿度压力传感器，以及该温度湿度压力传感器的制备方法。
技术介绍
电子皮肤系统是在材料科学、电子科学、微电子加工技术基础上应运而生的前沿产物，通过利用传感信号随着外界刺激变化实现了模仿人体皮肤保护、感知、调节等功能的目标，以其在医疗、健康监测方面举足轻重的作用而引起广泛研究热潮。电子皮肤实现对人体活动监控和医疗的可穿戴电子皮肤，首先要具备延展性，可紧密贴合到人体皮肤表面，还需要监测不同信号，从而获得体温，心率或颈静脉搏动，声音，肌肉运动等多通道信息。因此，电子皮肤集成了涉及温度传感、压力传感、湿度传感等。温度传感与湿度传感是电子皮肤重要功能之一，实现此功能途径根据原理主要分为电容式、电阻式和热电式。电容式一般采用两片导电电极与绝缘体夹层的三明治型，利用温度或湿度变化引起电荷密度、导电率的变化从而引起电容变化来监测温度或湿度，但电容式压力传感器缺点是响应灵敏性差，数据稳定性不理想。电阻温度/湿度传感器是电阻随温度或湿度发生变化，具有制备简易与器件结构简单、低能耗、监测范围广优点。缺点是分辨率低，集成性差。热电式是利用一些存在偶极子的材料在不同温度或湿度下热交换平衡打破，引起内部偶极子漂移或极化效应。优点是监测灵敏度高，缺点是稳定性差。随着电子器件材料高性能化、尺度微型化以及智能化的发展，多参数监控、高灵敏性、高分辨率监测和高集成度均已经实现。然而，监测得到数据不具有直观性。因此，近年来，电子皮肤输出信号可视化备受青睐。可视化压力传感一般采用将发光基元(LED等)埋在弹性体中，并集成到电路中，弹性体在压力下变形，引起电子线路电容或电阻变化，导致通过发光元电流变化，从而通过发光强度变化来实现压力读取。但这种方法制备复杂，不利于大面积集成。为实现电子皮肤在监测、医疗、人机交互方面长久地记录人体活动，从而诊断疾病和健康评估，将电子皮肤实际应用于人体活动，实现多模态传感器集成成为研究热点。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种温度湿度传感器，可视化压力传感多重功能电子皮肤或者制备方法，以解决以上所述的至少部分技术问题。(二)技术方案根据本专利技术的一方面，提供一种温度湿度压力传感器，包括：第一结构层，包括第一弹性体以及覆盖于至少部分第一弹性体表面上的还原氧化石墨烯，所述第一弹性体中含有锰掺杂的硫化锌；第二结构层，包括第二弹性体以及覆盖于至少部分第二弹性体表面上的氧化石墨烯；第一结构层位于第二结构层之上或者之下。在进一步的实施方案中，所述第一弹性体包括PDMS弹性体，以及锰掺杂的硫化锌。在进一步的实施方案中，所述第二弹性体包括PDMS弹性体。在进一步的实施方案中，所述第一结构层还包括第一电极，用于在还原氧化石墨烯感应温度变化时引出感应的电信号。在进一步的实施方案中，所述还原氧化石墨烯呈条状，间隔分布于第一弹性体上，所述第一电极也在第一弹性体上间隔式分布，用于引出各还原氧化石墨烯的两端。在进一步的实施方案中，所述第二结构层还包括第二电极，用于在氧化石墨烯感应湿度变化时引出感应的电信号。在进一步的实施方案中，所述第一结构层的第一电极与第二结构层的第二电极呈交叉相对布置。根据本专利技术的另一方面，提供一种电子皮肤，包括以上任一所述的温度湿度压力传感器。根据本专利技术的再一方面，提供一种温度湿度压力传感器的制备方法，包括：制备第一结构层，包括：制备第一弹性体PDMS，其中，所述第一弹性体PDMS中含有锰掺杂的硫化锌，在第一弹性体PDMS至少部分表面上喷涂条状间隔分布的还原氧化石墨烯；制备第二结构层，包括：制备第二弹性体PDMS，在第二弹性体PDMS至少部分表面上喷涂条状间隔分布的氧化石墨烯；将第一结构层压至第二结构层上，或者将第二结构层压至第一结构层上。在进一步的实施方案中，制备第一结构层时还包括制备间隔式分布的第一电极，该第一电极采用曝光机在第一弹性体PDMS上光刻形成；和/或制备第二结构层时还包括制备间隔式分布的第二电极，该第二电极采用曝光机在第二弹性体PDMS上光刻形成。(三)有益效果本专利技术采用透明且高韧性且电性能优越的单层石墨烯作为晶体管的主要材料，开发超高电容的离子凝胶作为介电层，以此构筑基于石墨烯双电层晶体管(GFET)的电子皮肤；本专利技术的温度湿度传感器主要为柔性结构，可紧密贴合于人体；本专利技术的温度湿度传感器整体具有系统性，集成有压力传感与温度湿度传感多重功能，且均可以实时监测，节约资源(省去分别穿戴多个装备的消耗)；本专利技术的温度湿度传感器将ZnS：Mn掺入到弹性体PDMS中，在PDMS上集成温度传感模块，并且与湿度传感模块层压，实现了可视化的压力传感；通过将压光晶体引入到电子皮肤，可为电子皮肤在高灵敏度、高集成度的基础上可视化提供方法。附图说明图1示出了本专利技术实施例的温度湿度压力传感器立体示意图。图2a和2b分别示出了本专利技术实施例的温度湿度压力传感器第一结构层和第二结构层平面示意图。图3示出了本专利技术实施例传感器的压力传感(压光效应)原理图。图4a示出了特定温度特定湿度下发光强度对于压力的变化图。图4b示出了在无压力下，固定温度下氧化石墨烯电容随湿度变化图。图4c示出了在无压力下，固定温度(25℃)实时的湿度传感图。图4d示出了在无压力下，固定湿度(35％)温度传感，还原氧化石墨烯电容随温度变化图。图4e示出了在无压力下，固定湿度(35％)实时的温度传感图。图4f示出了采用本专利技术实施例的温度湿度压力传感器的湿度成像图。图4g示出了采用本专利技术实施例的温度湿度压力传感器的温度成像图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。在此说明所附的附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本专利技术中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本专利技术所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。鉴于现有技术的电子皮肤多重功能集成度差，灵敏度低，能耗大等缺点，且为未来开发安全可靠的具多重功能电子皮肤提供理论与实践基础，本专利技术实施例将温度湿度传感、可视化压力传感等集于一体，可制备多功能电子皮肤。图1示出了本专利技术实施例的温度湿度压力传感器立体示意图。图2a和2b分别示出了本专利技术实施例的温度湿度压力传感器第一结构层和第二结构层平面示意图。结合图1、图2a和图2b所示，本专利技术实施例提供的温度湿度压力传感器100包括第一结构层110和第二结构层120，第一结构层110位于第二结构层120之上(如图1所示)，当然也可以是第一结构层110位于第二结构层120之下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种温度湿度压力传感器，其特征在于包括：/n第一结构层，包括第一弹性体以及覆盖于至少部分第一弹性体表面上的还原氧化石墨烯，所述第一弹性体中含有锰掺杂的硫化锌；/n第二结构层，包括第二弹性体以及覆盖于至少部分第二弹性体表面上的氧化石墨烯；/n第一结构层位于第二结构层之上或者之下。/n

【技术特征摘要】
1.一种温度湿度压力传感器，其特征在于包括：
第一结构层，包括第一弹性体以及覆盖于至少部分第一弹性体表面上的还原氧化石墨烯，所述第一弹性体中含有锰掺杂的硫化锌；
第二结构层，包括第二弹性体以及覆盖于至少部分第二弹性体表面上的氧化石墨烯；
第一结构层位于第二结构层之上或者之下。


2.根据权利要求1所述的温度湿度压力传感器，其特征在于，所述第一弹性体包括PDMS弹性体，以及锰掺杂的硫化锌。


3.根据权利要求1所述的温度湿度压力传感器，其特征在于，所述第二弹性体包括PDMS弹性体。


4.根据权利要求1所述的温度湿度压力传感器，其特征在于，所述第一结构层还包括第一电极，用于在还原氧化石墨烯感应温度变化时引出感应的电信号。


5.根据权利要求4所述的温度湿度压力传感器，其特征在于，所述还原氧化石墨烯呈条状，间隔分布于第一弹性体上，所述第一电极也在第一弹性体上间隔式分布，用于引出各还原氧化石墨烯的两端。


6.根据权利要求5所述的温度湿度压力传感器，其特征在于，所述第二结构层还包括第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙其君，孟艳芳，曹正镐，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11