CN112146795A - 一种基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法 - Google Patents

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樊彦艳
屠海令
赵鸿斌
魏峰
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material

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Abstract

本发明提出了一种高灵敏度柔性复合海绵压力传感器，包括电极、复合多孔结构海绵，用银浆作为所述多孔结构海绵和电极的连接，以增加导电性，所述电极为铝条、银丝、铜片中的一种，电极通过银浆粘接在所述复合多孔结构海绵的上下两面。本发明还提出所述柔性压力传感器的制备方法。与现有技术相比，本发明提供的柔性压力传感器具有成本低、灵敏度高和测量范围大等特点，利用柔性材料制备，可用于新型可穿戴设备。该力学传感器制作工作简单，易于产业化，具有极高的市场价值和产业化潜力。

Description

一种基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法。
背景技术
近年来，随着电子信息技术、材料技术的不断发展，智能可穿戴设备迅速兴起并得到了极大的提高，在极大方便人们生活的同时，也为信息技术的发展开辟了新的领域。可穿戴设备的迅速发展对新型柔性传感器特别是柔性压力传感器产生了巨大的需求。但是，目前存在的压力传感器很多以硅为衬底，基于传统微电子工艺制作，不能应用于可穿戴设备。而基于纳米新材料技术的柔性压力传感器普遍存在灵敏度低、可测量范围小等问题，在应用上也受到了一定的限制。基于新材料的压力传感器还存在材料造价昂贵、工艺复杂等问题，在市场上推广上遭遇诸多瓶颈。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种成本低、无毒无污染、工艺简单、适合批量生产的基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述压力传感器包括电极、复合海绵，所述电极为铝条、银丝、铜片中的一种，所述电极通过银浆粘接在所述复合海绵的顶部和底部；所述制备方法包括以下步骤：
(1)将丁苯橡胶材质的海绵用酒精进行浸泡浸泡5-10分钟进行清洗；
(2)将清洗后的丁苯橡胶材质的海绵置于Mxene溶液中进行浸泡挤压，得到复合海绵；
(3)将复合海绵放在通风橱中晾干；
(4)将晾干后的复合海绵的顶部和底部涂布银浆并粘接电极。
根据上述的基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述复合海绵的形状为长方体；所述复合海绵的结构为多孔石墨烯泡沫结构。
根据上述的基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中Mxene溶液的浓度为2mg/mL-5mg/mL。
根据上述的基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中Mxene溶液中Mxene为Ti2C、Ti3C2、Mo2C、Mo2TiC2、Mo2Ti2C3中的一种。
本发明的有益技术效果：与现有技术相比，本发明方法制备的复合海绵具有蓬松的多孔结构，同时具有一定的导电性，当有压力作用于该压力传感器时，复合海绵的多孔结构会被压紧，Mxene的连接状况会发生改变，同时其电阻将发生变化，于是便可以将压力信号转换为电信号。本发明方法制备传感器的原料价格低廉，且具有无毒无污染等特性。本发明方法制备工艺简单，适合批量生产，易于产业化，具有极高的市场价值和产业化潜力。本发明方法制备的压力传感器具有成本低、灵敏度高、测量范围大等特点，同时采用柔性材料制备，可以用于新型可穿戴设备。
附图说明
图1为本发明方法制备的传感器的结构示意图；
图2为本发明的制备流程示意图；
图3为本发明方法制备的传感器的压力特性曲线；
图4为本发明方法制备的传感器用于步态识别时，走路、跑步、下落以及跳跃过程中相对电阻变化曲线图。
具体实施方式
参见图1-2，本发明的一种基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法，压力传感器包括电极、复合海绵，电极为铝条、银丝、铜片中的一种，电极通过银浆粘接在复合海绵的顶部和底部；用银浆连接多孔结构复合海绵和电极以增加导电性。制备方法包括以下步骤：
(1)将丁苯橡胶材质的海绵用酒精进行浸泡浸泡5-10分钟进行清洗；
(2)将清洗后的丁苯橡胶材质的海绵置于Mxene溶液中进行反复多次浸泡挤压，得到复合海绵；Mxene溶液的浓度为2mg/mL-5mg/mL。Mxene溶液中Mxene为Ti2C、Ti3C2、Mo2C、Mo2TiC2、Mo2Ti2C3中的一种。Mxene材料是一种新兴的二维层状结构材料，具有轻、薄、强度大、柔韧性好等特点，不容易破损，其在压力传感器领域的应用也受到了热切期待。由于多孔结构复合海绵具有较多的孔状结构，当有压力作用于压力传感器时，该结构将被挤压，其中Mxene之间的连接状态将发生改变，其电阻也发生改变，从而使压力信号转换为电信号。
(3)将复合海绵放在通风橱中晾干；复合海绵的尺寸及形状不受限制，可以按照实际情况进行选择，优选的，复合海绵的形状为长方体；复合海绵的结构为多孔石墨烯泡沫结构。
(4)将晾干后的复合海绵的顶部和底部涂布银浆并粘接电极。
现以以下实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。
实施例1
将丁苯橡胶材质的海绵剪切成2cm×2cm，放在培养皿中，用酒精浸泡5-10分钟进行清洗；
将清洗后的丁苯橡胶材质的海绵置于浓度为5mg/mL的Mxene溶液中进反复多次浸泡挤压，得到复合海绵。Mxene溶液中Mxene为Ti3C2。
将复合海绵放在通风橱中晾干。
将晾干后的复合海绵的顶部和底部涂布银浆并粘接铝条电极，得到基于复合海绵多孔结构的压力传感器，基于复合海绵多孔结构的压力传感器厚度约为2cm，面积约为4cm2。
将基于复合海绵多孔结构的压力传感器连接于测试电路，用拉压力测试仪施加压力，用数字万用表记录电阻值。
图3表示实施例1中的压力传感器的压力特性曲线，其中测量范围可达200kPa，灵敏度高达3.11，说明该压力传感器同时具有较大的灵敏度和较大的测量范围。
图4为实施例1制备的传感器用于步态识别时，走路、跑步、下落以及跳跃过程中相对电阻变化曲线图，表明实施例1制备的压力传感器可以对不同的运动状态及运动速度做出响应。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述压力传感器包括电极、复合海绵，所述电极为铝条、银丝、铜片中的一种，所述电极通过银浆粘接在所述复合海绵的顶部和底部；所述制备方法包括以下步骤：
(1)将丁苯橡胶材质的海绵用酒精进行浸泡浸泡5-10分钟进行清洗；
(2)将清洗后的丁苯橡胶材质的海绵置于Mxene溶液中进行浸泡挤压，得到复合海绵；
(3)将复合海绵放在通风橱中晾干；
(4)将晾干后的复合海绵的顶部和底部涂布银浆并粘接电极。
2.根据权利要求1所述的基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述复合海绵的形状为长方体；所述复合海绵的结构为多孔石墨烯泡沫结构。
3.根据权利要求1所述的基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中Mxene溶液的浓度为2mg/mL-5mg/mL。
4.根据权利要求3所述的基于复合海绵多孔结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中Mxene溶液中Mxene为Ti2C、Ti3C2、Mo2C、Mo2TiC2、Mo2Ti2C3中的一种。
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