本發(fā)明涉及一種基于碳納米線圈的高敏感度且可精確解耦的柔性壓力/溫度傳感器的設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用，屬于功能納米材料制備。

背景技術(shù)：

1、柔性多功能壓力-溫度傳感器展現(xiàn)出在可穿戴健康監(jiān)測、工業(yè)流程控制、人機(jī)交互等領(lǐng)域極大的應(yīng)用前景。近年來，許多研究者圍繞溫度-壓力多功能傳感器進(jìn)行了廣泛的研究。盡管如此，在同時(shí)檢測壓力和溫度時(shí)，所研制出的傳感器通常會(huì)不可避免的出現(xiàn)信號(hào)相互串?dāng)_現(xiàn)象。為了克服這一難題，傳統(tǒng)研究方法主要采取平面集成或垂直集成的方式，將多個(gè)可單獨(dú)檢測壓力或溫度的傳感器集成于同一基底上，實(shí)現(xiàn)對壓力和溫度的可解耦檢測。然而，該方法存在著電路布局復(fù)雜的問題，不利于后續(xù)陣列器件集成。此外，在垂直集成時(shí)，傳感器的敏感度和低檢測限等性能還會(huì)發(fā)生退化。

2、為了解決電路布局復(fù)雜性及性能下降的問題，單一多模態(tài)傳感器被研究者們廣泛采用。例如，基于壓電和熱電原理，研究者設(shè)計(jì)了由活性碳材料組成的三明治形狀壓力溫度傳感器，展現(xiàn)出較高壓力敏感度和較高的塞貝克系數(shù)，并表現(xiàn)出可忽略的串?dāng)_。類似的，研究者基于mxene材料，也設(shè)計(jì)出了以電壓和電阻為輸出信號(hào)的壓力和溫度傳感器。盡管如此，該類多功能傳感器還存在敏感度較低且引線較多的問題，不利于后續(xù)進(jìn)一步的集成及微弱信號(hào)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。相對于常用的碳材料，如石墨烯，金屬炔等，碳納米線圈展現(xiàn)出良好的電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)。此外，碳納米線圈固有的靈活性和相互纏繞等特性將賦予其更高氣敏性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種基于碳納米線圈的高敏感度且可精確解耦的柔性壓力/溫度傳感器的設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用。將碳納米線圈與聚二甲基硅氧烷進(jìn)行復(fù)合，采用鹽模板犧牲法和直接攪拌，分別制備多孔cncs/pdms壓敏層和實(shí)心cncs/pdms溫敏層。隨后通過簡單層壓法組裝，制備出基于碳納米線圈/聚二甲基硅氧烷(cncs/pdms)的壓力-溫度傳感器；該傳感器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高敏感度，低的檢測限和精確解耦能力。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是：一種基于碳納米線圈的高敏感度且可精確解耦的柔性壓力/溫度傳感器的制作方法，包括如下步驟：

3、(1)聚二甲基硅氧烷(pdms)的制備：聚二甲基硅氧烷dowcorning?sylgard?184，真空中除氣泡；倒入模具中，固化成型；制備出pdms薄膜；

4、(2)鹽模板犧牲法：將碳納米線圈、聚二甲基硅氧烷和氯化鈉混合均勻，在模具中固化成型；通過浸泡，超聲，干燥，制備出碳納米線圈/聚二甲基硅氧烷cncs/pdms復(fù)合材料多孔壓敏層；

5、(3)將碳納米線圈和聚二甲基硅氧烷混合均勻，均勻滴涂在金叉指電極上并固化，制備出cncs/pdms薄膜作為溫敏層，cncs/pdms薄膜與叉指電極整體作為溫度傳感部分；

6、(4)將制備的cncs/pdms多孔層和pdms薄膜作為中間層；

7、溫敏層作為下層電極，上述功能層通過層壓法組裝，制備出基于碳納米線圈/聚二甲基硅氧烷(cncs/pdms)的壓力-溫度傳感器；

8、上層和底層分別為pdms上的ag薄膜和pi襯底上的叉指au電極，作為電信號(hào)輸出的引線；中間層分別為cncs/pdms多孔層、pdms薄膜和實(shí)心cncs/pdms薄膜，分別作為電容相關(guān)的壓力傳感單元、介電層和電阻相關(guān)的溫度傳感單元。

9、優(yōu)選的，其中步驟1-3中的聚二甲基硅氧烷均是購買的dow?corning?sylgard184，按主劑和固化劑質(zhì)量比為10∶1配置。

10、優(yōu)選的，所述步驟(1)中聚二甲基硅氧烷(購買的dow?corning?sylgard?184)按主劑和固化劑質(zhì)量比為10∶1準(zhǔn)備，然后放入真空干燥箱中除去氣泡；再將一定量的pdms滴入6×6×0.035cm模具中心，讓其自由流淌，最后在烘箱80℃、固化2h；制備得到pdms薄膜；

11、所述步驟(2)中碳納米線圈、聚二甲基硅氧烷和氯化鈉的質(zhì)量比為1∶30∶210，在研缽混合均勻；再轉(zhuǎn)移到4×4×0.2cm的模具中；在80℃烘箱中、固化2h成型；成型后在去離子水浸泡，超聲除去nacl，最后在80℃烘箱、干燥1h；制備碳納米線圈/聚二甲基硅氧烷(cncs/pdms)復(fù)合材料多孔層；

12、所述步驟(3)中碳納米線圈和聚二甲基硅氧烷質(zhì)量比為1∶30，在研缽混合均勻；將復(fù)合物均勻滴涂在金叉指電極上，聚酰亞胺基底厚度13微米；叉指電極線寬100微米，線距100微米，指長6.3毫米，叉指對數(shù)20對，在80℃條件下固化2h；制備碳納米線圈/聚二甲基硅氧烷薄膜的溫敏層；

13、所述步驟(3)中器件的制備；將制備的聚二甲基硅氧烷薄膜切成1×1×0.035㎝的長方體，再涂導(dǎo)電銀漿并用銅線引出，作為上層電極，并在80℃條件下固化10min；

14、將制備的cncs/pdms多孔層切成1×1㎝的正方形和pdms薄膜作為中間層；溫敏層作成下層電極，上述功能層通過層壓法組裝，制備出基于碳納米線圈/聚二甲基硅氧烷(cncs/pdms)的壓力-溫度傳感器。

15、為了解決本發(fā)明的技術(shù)問題，提出的另一技術(shù)方案為：所述的方法制備的基于碳納米線圈的高敏感度且可精確解耦的柔性壓力/溫度傳感器。

16、為了解決本發(fā)明的技術(shù)問題，提出的另一技術(shù)方案為：所述的方法制備的碳納米線圈/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料多孔層。

17、為了解決本發(fā)明的技術(shù)問題，提出的另一技術(shù)方案為：所述的方法制備的基于碳納米線圈/聚二甲基硅氧烷薄膜的溫敏層。

18、為了解決本發(fā)明的技術(shù)問題，提出的另一技術(shù)方案為：所述的基于碳納米線圈的高敏感度且可精確解耦的柔性壓力/溫度傳感器應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對溫度的高靈敏度3045.95％℃-1和0.05℃分辨率檢測。

19、優(yōu)選的，壓力檢測限可達(dá)到1.5pa，且循環(huán)穩(wěn)定性佳。

20、優(yōu)選的，可應(yīng)用于防誤觸開關(guān)的設(shè)計(jì)、不同重量和不同溫度的同類型物體識(shí)別以及不同溫度水杯的感知。

21、本發(fā)明的有益效果為：

22、碳納米線圈優(yōu)異的導(dǎo)電性、可拉伸性及相互纏繞特性使得該材料適合于多功能傳感器的制備。此外，彈性多孔層和實(shí)心層組成的軟硬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可防止壓力和溫度信號(hào)的相互串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)精確解耦功能。此外，共享電極策略的采用極大的簡化了電路布局，為后續(xù)陣列器件的設(shè)計(jì)與集成打下了堅(jiān)實(shí)了基礎(chǔ)。

23、1、本發(fā)明設(shè)計(jì)的彈性多孔cncs/pdms層可實(shí)現(xiàn)1.5pa的壓力檢測。靈敏度可分為3個(gè)線性區(qū)，分別對應(yīng)0～1.1kpa范圍內(nèi)16.47％kpa-1，1.1～22kpa范圍內(nèi)2.79％kpa-1，22～38kpa范圍內(nèi)1.22％kpa-1。

24、2、本發(fā)明制備的比例可調(diào)的實(shí)心cncs/pdms層展現(xiàn)出較寬溫度檢測范圍20～80℃，超高的溫度敏感度(3045.95％℃-1)和0.05℃的溫度分辨率。在30～50℃的溫度范圍內(nèi)，靈敏度為37.75％℃-1，當(dāng)溫度傳感器工作在60～80℃時(shí)，靈敏度達(dá)到3045.9％℃-1。

25、3、本發(fā)明設(shè)計(jì)的多孔-實(shí)心“軟硬”結(jié)構(gòu)，可極大的降低溫度和壓力兩種信號(hào)的相互串?dāng)_。

26、4、本發(fā)明采用的共用電極策略，簡化了電路布局，有利于后續(xù)陣列器件的集成。

27、5、本發(fā)明采用的碳納米線圈，相對于其他活性碳材料(石墨烯，金屬炔，碳納米管)，展現(xiàn)出更高的溫度敏感度。

28、6、本發(fā)明中制備的cncs/pdms實(shí)心溫度傳感層，由于熱膨脹效應(yīng)和電阻隧穿效應(yīng)，電阻值隨著溫度不斷升高而急劇增加。這種與單一碳材料溫度傳感器相反的電阻變化趨勢，有利于后續(xù)多功能器件的進(jìn)一步研制。