【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及柔性传感器领域，具体是一种拉压检测双模柔性传感器及其制备方法。
技术介绍
1、随着科技的快速发展和人们对健康监测、智能设备的需求不断增加，柔性可穿戴传感器在个人健康监测、电子皮肤、智能机器人以及人体运动检测等领域展现了广阔的应用前景。其中，能够同时检测拉伸应变和压缩的双模传感器由于其多功能性和高效性，受到了越来越多的关注。
2、目前，大多数柔性应变传感器主要集中在单一模式的应变检测，即只能检测拉伸和压缩中的一种。这些传感器通常采用高弹性聚合物基体(如聚二甲基硅氧烷pdms)、热塑性聚氨酯tpu、橡胶等)与导电材料(如碳纳米管、石墨烯、银纳米线等)复合而成，通过材料形变引起的电阻变化来实现应变检测。然而，单一模式传感器在实际应用中存在一些局限性。例如，在运动监测和健康检测中，人体的运动形式多种多样，既包含拉伸形变也包含压缩形变。因此，能够同时检测拉伸应变和压缩的传感器显得尤为重要。双模应变传感器不仅可以简化传感器系统的设计，还能够提供更全面、准确的变形数据。
3、目前的双模传感器在设计和性能上仍然存在一些挑战。首先，要实现同时检测拉伸应变和压缩，需要传感器具有良好的结构设计，以确保在不同方向的应变下都能保持高灵敏度和稳定性。其次，材料的选择和复合工艺也至关重要，需要确保在双模式应变下传感器的导电网络结构能够有效应对不同形变带来的电阻变化。此外，传感器在循环使用过程中应保持优异的稳定性，避免在多次使用后出现性能下降。
技术实现思路
1、针对现有技术
2、本专利技术解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
3、步骤1、将高介电常数材料分别均匀分散于柔性聚合物a和柔性聚合物b中，然后脱泡；再将分散后的柔性聚合物a和柔性聚合物b混合均匀，得到高介电常数材料/柔性聚合物复合浆料；柔性聚合物a与柔性聚合物b两者混合后在适当温度、适当时间下能发生固化反应；
4、步骤2、将步骤1的复合浆料利用反模具法浇筑在带有凸起图案的反模具中；然后在复合浆料的表面铺撒水溶性颗粒材料后，进行复合浆料固化；固化后浸渍于水中溶解水溶性颗粒材料后，在表面形成一层微孔结构，脱模后得到一侧表面具有微孔结构、另一侧面具有凹槽结构的应变层基底；
5、步骤3、在应变层基底的凹槽结构的两端开设若干个通孔，碳纤维带穿过通孔嵌入凹槽结构中，然后整体置于分散均匀的导电颗粒悬浮液中进行超声，通过超声将导电颗粒锚定在碳纤维带的碳纤维丝的表面；然后将凹槽结构中的碳纤维带进行部分切除，切除碳纤维带的区域为应变区的低模量差异区域，保留碳纤维带的区域为应变区的高模量差异区域；
6、步骤4、将分散均匀的导电颗粒/低粘度挥发性溶剂悬浮液混合到柔性聚合物a中，再加入柔性聚合物b，混合均匀后，得到导电复合浆料；然后将导电复合浆料注入到放置有碳纤维带的应变层基底的凹槽结构中，并使碳纤维带与导电复合浆料充分接触；然后将导电复合浆料固化，形成由高模量差异区域和低模量差异区域构成的应变区，得到具有电介质下层的下层应变电阻响应层或具有电介质上层的上层应变电阻响应层；
7、步骤5、将下层应变电阻响应层中的电介质下层与上层应变电阻响应层中的电介质上层正对，且下层应变电阻响应层中的碳纤维带与上层应变电阻响应层中的碳纤维带相互垂直，然后将电介质下层和电介质上层的边缘相互胶合且中部不胶合，形成电介质层，得到拉压检测双模柔性传感器。
8、本专利技术解决所述传感器技术问题的技术方案是，提供一种所述制备方法制备得到的拉压检测双模柔性传感器，其特征在于，该传感器由从下至上依次连接的下层应变电阻响应层、电介质层和上层应变电阻响应层组成；电介质层位于下层应变电阻响应层和上层应变电阻响应层之间；下层应变电阻响应层和上层应变电阻响应层的结构相同，且各自的碳纤维带相互垂直；下层应变电阻响应层和上层应变电阻响应层用于感知应变的大小及方向，电介质层用于感知压力的大小及其分布。
9、与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
10、(1)本传感器能够同时独立检测平面内的拉伸应变和法向压力，能够识别平面内应变的大小和方向，并且可以感知法向压力及其分布，提高在拉伸应变和压缩检测中的性能，实现多维度的传感检测，满足实际应用中的多种需求。
11、(2)本专利技术通过将碳纤维带与三明治结构相结合，基于电容响应与电阻响应分离的垂直堆叠配置，避免了数据解耦的问题，一个传感器即可同时独立地检测拉伸应变和法向压力，在发生平面内拉伸导致的变形时下层应变电阻响应层和上层应变电阻响应层工作，在发生法向压力导致的变形时电介质层工作，检测结果更加准确可靠。
12、(3)当导电颗粒均匀分布在柔性聚合物基体中时，形成了一个复合材料，其中导电颗粒构成了导电通路。在未受外力时，导电颗粒相对密集地分布，形成较多的导电通路，使得材料整体具有较低的电阻。当应变区受到拉伸作用产生变形时，由于柔性聚合物的高弹性，这种形变会导致其体积和形状的变化。随着柔性聚合物发生弹性变形，柔性聚合物基体中的导电颗粒间的距离增大，导致导电通路变得稀疏甚至断开，由于导电通路的减少，整体材料的电阻增加。
13、(4)本专利技术利用碳纤维带嵌入到传感器内部赋予的各向异性，高模量差异区域表现出杨氏模量的各向异性，低模量差异区域表现为杨氏模量的各向同性，提供了区分不同方向应变的检测能力，且在不同方向的应变下均能保持高灵敏度和稳定性。
14、(5)本专利技术利用长碳纤维的良好导电性和稳定性，长碳纤维参与应变传感的同时可作为电容传感器的极板以及导线，提供了压力检测能力。
15、(6)本专利技术制备方法简单，利用反模具法和超声锚定等技术，能够有效降低成本，并实现大面积制备，适合批量生产。传感器在循环使用过程中应保持优异的稳定性，避免在多次使用后出现性能下降。
16、(7)本专利技术能够应用于可穿戴医疗保健系统中，实现对人体运动、呼吸状态和脉搏情况的实时监测，推动可穿戴医疗设备的发展。
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1.一种拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤1的操作环境为低温环境，具体温度为0～10℃；
3.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤1中，高介电常数材料为23℃时介电常数大于1300的材料，具体为BaTiO3、SrTiO3和Pb(Zr,Ti)O3中至少一种；
4.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤2中，水溶性颗粒材料为NaCl颗粒、KCl颗粒、Na2SO4颗粒和C6H12O6颗粒中的至少一种，粒径为0.25mm～0.3mm；
5.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤3中，分散均匀的工艺是：超声时间为1～4h，功率为800～1000W，功率比为10％～15％，温度为10～15℃；
6.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤4中，导电颗粒为碳基导电材料，具体为CB、CNT和石墨烯中的至少
7.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤4中，导电颗粒的质量与柔性聚合物A和柔性聚合物B的质量和之比为1:12.5～25。
8.一种权利要求1-7任一所述制备方法制备得到的拉压检测双模柔性传感器，其特征在于，该传感器由从下至上依次连接的下层应变电阻响应层(1)、电介质层(3)和上层应变电阻响应层(2)组成；电介质层(3)位于下层应变电阻响应层(1)和上层应变电阻响应层(2)之间；下层应变电阻响应层(1)和上层应变电阻响应层(2)的结构相同，且各自的碳纤维带(6)相互垂直；下层应变电阻响应层(1)和上层应变电阻响应层(2)用于感知应变的大小及方向，电介质层(3)用于感知压力的大小及其分布。
9.根据权利要求8所述的拉压检测双模柔性传感器，其特征在于，下层应变电阻响应层(1)和上层应变电阻响应层(2)均包括应变层基底(4)和碳纤维带(6)；应变层基底(4)中设置有应变区(5)；应变区(5)分为高模量差异区域(5-1)和低模量差异区域(5-2)；高模量差异区域(5-1)中嵌入有碳纤维带(6)。
10.根据权利要求8或9所述的拉压检测双模柔性传感器，其特征在于，碳纤维带(6)由若干根定向排列的碳纤维丝构成，且碳纤维丝的延伸方向与碳纤维带(6)的延伸方向一致。
...【技术特征摘要】
1.一种拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤1的操作环境为低温环境，具体温度为0～10℃；
3.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤1中，高介电常数材料为23℃时介电常数大于1300的材料，具体为batio3、srtio3和pb(zr,ti)o3中至少一种；
4.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤2中，水溶性颗粒材料为nacl颗粒、kcl颗粒、na2so4颗粒和c6h12o6颗粒中的至少一种，粒径为0.25mm～0.3mm；
5.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤3中，分散均匀的工艺是：超声时间为1～4h，功率为800～1000w，功率比为10％～15％，温度为10～15℃；
6.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤4中，导电颗粒为碳基导电材料，具体为cb、cnt和石墨烯中的至少一种，导电颗粒的粒径为20～500nm；
7.根据权利要求1所述的拉压检测双模柔性传感...
【专利技术属性】
技术研发人员：张争艳，魏士杰，程娥，郭艺淙，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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