一种阵列式柔性温度压力一体式传感器及其制备方法、检测系统与流程

本发明涉及柔性传感器，具体涉及一种阵列式柔性温度压力一体式传感器及其制备方法、检测系统。

背景技术：

1、随着电动汽车产业的快速迭代，动力电池包的安全性已成为行业发展的核心关切点。动力电池在长期充放电循环、极端环境工况（高温、低温、碰撞）及老化过程中，易出现内部温度异常升高、电芯膨胀导致的压力突变、外部穿刺引发的短路等安全隐患，若不能及时实现全方位、高精度监测并预警，极易引发热失控、起火甚至爆炸等严重安全事故。

2、目前，动力电池包的监测技术存在诸多局限：一是温度监测多采用单点热敏电阻（ntc），仅能实现单个点位的温度检测，存在大面积监测盲区，无法覆盖所有电芯及间隙区域；二是温敏与压敏传感器多为分离式设计，体积偏大偏厚、柔性较差，难以贴合电池包复杂曲面，占用电池包有效空间；三是现有压敏传感器多采用单一电极+单层压感材料结构，压力检测灵敏度低，难以捕捉电池包内部微小压力突变，且抗干扰能力弱，易受外界环境影响；四是部分集成式温压传感器未优化电极与功能层的布局，导致温、压检测信号相互干扰，检测精度难以满足动力电池包的严苛要求。

3、针对上述技术缺陷，开发一种基于多级连通型介孔纳米骨架结构、温压一体、大面积检测、高灵敏度且抗干扰能力强的柔性传感器阵列，以及基于该传感器的一体化监测系统，对提升电动汽车动力电池包的安全性能、保障行车安全具有重要的现实意义和产业价值。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供一种阵列式柔性温度压力一体式传感器及其制备方法、检测系统。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种阵列式柔性温度压力一体式传感器，包括：作为力学支撑的柔性承载基底，设于所述柔性承载基底上方的底部导电电极，集成于所述底部导电电极上表面的力敏功能矩阵，覆盖于所述力敏功能矩阵周围的绝缘分隔介质，与所述力敏功能矩阵上下对位设置的上层力敏响应层，位于所述上层力敏响应层上端的顶部导电电极，集成于所述顶部导电电极下表面、并与所述上层力敏响应层在所述顶部导电电极下表面以交错点阵形式均匀分布的温敏功能矩阵，以及用于整体防护的表面封装防护层；

4、所述力敏功能矩阵与其上层力敏响应层组成阵列式的力敏传感单元，所述温敏功能矩阵组成阵列式的温敏传感单元，所述力敏传感单元和所述温敏传感单元，在所述顶部导电电极和所述底部导电电极之间，以交错点阵形式均匀分布，组成力敏/温敏复合功能矩阵，并完整地覆盖所述柔性承载基底的表面，以实现超大面域全域同步监测；

5、所述柔性承载基底、所述底部导电电极、所述力敏/温敏复合功能矩阵、所述绝缘分隔介质、所述顶部导电电极和所述表面封装防护层，再用自下而上叠层封装设置的一体化叠层结构。

6、进一步的，所述力敏传感单元和所述温敏传感单元均采用负压液相渗透组装工艺结合瞬态气相发泡成型工艺的双工艺协同制备，在力敏传感单元和温敏传感单元的内部，构筑出50nm-200nm的多级连通型介孔纳米骨架，形成多级贯通的柔性三维多孔网络结构。

7、进一步的，所述温敏传感单元包括温敏复合材料，所述温敏复合材料包括柔性聚合物和温敏材料粒子，所述柔性绝缘聚合物包括pdms、pi中的一种或多种复配体系，所述温敏材料粒子包括碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒中的一种或多种复配体系；

8、所述力敏传感单元包括压敏复合材料，所述压敏复合材料包括弹性基底和压敏材料粒子，所述弹性基底包括pdms、pu中的一种或多种复配体系，所述压敏材料粒子包括石墨烯、mxene中的一种或多种复配体系。

9、进一步的，所述底部导电电极和所述顶部导电电极均配置有不少于四条导电通路，并分别采用纵向和横向相互交叉的形式排布，形成纵横交叉式的电极阵列，并形成n×m个交叉点，为压力、温度双信号采集提供导电通路；所述力敏传感单元布设在所述底部导电电极和所述顶部导电电极的交叉点处。

10、进一步的，所述力敏传感单元包括上下设置的首层力敏传感单元和次层力敏传感单元，所述首层力敏传感单元集成设置于所述底部导电电极的上表面，作为所述力敏功能矩阵；所述次层力敏传感单元作为所述上层力敏响应层，集成设置于所述顶部导电电极的下表面；

11、所述绝缘分隔介质设置于所述力敏传感单元的周围，并与所述力敏传感单元紧密贴合，将所述力敏传感单元中的首层力敏传感单元与次层力敏传感单元包围，形成上下对位分布的双相传感结构，组成双相力敏传感单元。

12、进一步的，所述表面封装防护层，对应每个温敏传感单元的区域，采用镂空处理，挖空尺寸≤温敏传感单元的尺寸，形成防护层镂空区；对应每个力敏传感单元的区域采用薄膜叠加垫高处理。

13、进一步的，所述防护层镂空区内，印刷设置有一层超薄导热防护涂层。

14、一种阵列式柔性温度压力一体式传感器的制备方法，包括以下步骤：

15、s1：制备柔性承载基底：选用pdms、pi、或者pu的柔性绝缘材料，通过旋涂法制得柔性承载基底；

16、s2：制备底部导电电极：选用银基电极或者mxene基复合导电电极作为底部导电电极材料，通过丝网印刷法印刷于柔性承载基底的上表面，或者通过真空蒸镀工艺成型于柔性承载基底的上表面，布设至少四条纵向导电通路，经恒温固化后，制得底部导电电极；

17、s3：制备绝缘分隔介质：选用液态绝缘环氧粘接胶作为绝缘分隔介质材料，根据力敏传感单元的尺寸大小、位置和分布情况，进行精准镂空涂布处理，采用掩膜版定点成型工艺，预留挖空尺寸，完成涂布后低温预固化备用；

18、s4、制备首层力敏传感单元：以pdms弹性体或者pu弹性体作为基底材料，添加6%-8%的石墨烯或者mxene作为压敏材料粒子，并加入适量分散剂，混合均匀后超声分散，得到首层压敏复合材料；随后，通过丝网印刷法，将首层压敏复合材料印刷于底部导电电极表面，经恒温固化，形成阵列式力敏传感单元；最后，通过负压液相渗透组装技术结合瞬态气相发泡成型工艺的双工艺协同，构筑出多级连通型介孔纳米骨架，孔径为50nm-200nm，形成均匀贯通的柔性三维导电多孔结构；

19、s5、制备次层力敏传感单元：与首层力敏传感单元的制备工艺一致，对应首层力敏传感单元的尺寸大小、位置和分布情况，通过丝网印刷法印刷于顶部导电电极的表面，并通过负压液相渗透组装技术结合瞬态气相发泡成型工艺的双工艺协同，构筑出多级连通型介孔纳米骨架；

20、s6、制备温敏传感单元：以pdms或者pi等柔性聚合物为基底材料，添加5wt%-6wt%的碳纳米管、石墨烯或者金属纳米颗粒中的一种或多种复配体系，作为温敏导电粒子，并加入适量分散剂，混合均匀后超声分散，得到温敏复合材料；随后，通过丝网印刷法将温敏复合材料印刷于顶部导电电极的表面，与次层力敏传感单元以交错点阵的形式，在顶部导电电极的表面交错均匀分布，印刷完成后，经恒温固化，形成阵列式温敏传感单元；最后，再通过负压液相渗透组装技术结合瞬态气相发泡成型工艺，在单元内部构筑多级连通型介孔纳米骨架，孔径为50nm-200nm；

21、s7、制备顶部导电电极：与底部导电电极的制备工艺一致，通过丝网印刷法制备在次层力敏传感单元和温敏传感单元的上表面，设置至少四条横向导电通路，并与底部导电电极的纵向电极一一交叉对应；印刷完成后，通过导电铜箔固定电极引出端，确保与次层力敏传感单元、温敏传感单元接触紧密，接触电阻≤5ω；

22、s8：组装：将预固化完成的液态绝缘环氧粘接胶分隔介质，确保其镂空区域与首层力敏传感单元精准对位贴合，贴合于柔性承载基底的上表面；严格保证镂空区域与首层力敏传感单元完全对齐，无偏移、无遮挡；随后，确保次层力敏传感单元与首层力敏传感单元在绝缘分隔介质的镂空区域上下对齐，将次层力敏传感单元与绝缘分隔介质的上表面紧密贴合后，经恒温固化后，使液态绝缘环氧粘接胶完全固化，形成具有多级连通型介孔纳米骨架的双相力敏传感单元；

23、s9、制备表面封装防护层：选用pi薄膜或者pet薄膜作为表面封装防护层材料，对应每个温敏传感单元的区域进行镂空处理，挖空尺寸≤温敏传感单元的尺寸；对应每个双相力敏传感单元的区域采用薄膜叠加垫高处理；随后，通过胶制品的贴合工艺，将表面封装防护层覆盖于顶部导电电极上表面，并与柔性承载基底贴合固定，确保贴合紧密，无气泡、褶皱，完成传感器的整体制备；

24、步骤s5-步骤s7顺序制作，先在离型材料的表面制备次层力敏传感单元和温敏传感单元，再在次层力敏传感单元和温敏传感单元的上表面制备顶部导电电极；或者，先在离型材料的表面制备顶部导电电极，再在顶部导电电极的上表面，制备次层力敏传感单元和温敏传感单元；随后，将制备完成后的离型材料整体单元，粘接到绝缘分隔介质的上端，确保次层力敏传感单与首层力敏传感单元在绝缘分隔介质的镂空区域上下分布对齐；最后，揭掉离型材料，实现顶部导电电极的转移；

25、或者，直接在绝缘分隔介质的上端直接制备次层力敏传感单元和温敏传感单元，再在次层力敏传感单元和温敏传感单元的上表面制备顶部导电电极。

26、进一步的，所述负压液相渗透组装技术结合瞬态气相发泡成型工艺，包括以下步骤：

27、s11：感应材料的丝网印刷：将温敏复合材料或者压敏复合材料，通过丝网以交错嵌合点阵形式，规则地印刷于底部导电电极或者顶部导电电极的表面；

28、s12：负压液相渗透组装：先采用负压液相渗透组装工艺，温敏复合材料在负压环境下，驱动材料内部的导电粒子沿液相渗透方向有序排布，打破材料无序团聚状态，初步形成交错连通的纳米导电通路；压敏复合材料通过负压渗透作用使石墨烯、mxene二维片层材料的导电材料有序搭接、垂直贯通，构建高密度导电网络；

29、s13：瞬态气相发泡成型：再通过瞬态气相发泡成型工艺，温敏复合材料利用微量发泡助剂在恒温固化过程中瞬时产气、微泡成型，在材料内部生成孔径均匀、相互贯通的的介孔结构，形成多级连通型介孔纳米骨架；压敏复合材料也通过微量发泡助剂，在恒温固化过程中瞬时产气、微泡成形，在弹性基底内部，形成均匀的介孔孔隙，孔隙与导电网络相互嵌套，形成多级连通型介孔纳米骨架。

30、一种阵列式柔性温度压力一体式传感器的监测系统，包括上述所述的阵列式柔性温度压力一体式传感器、信号采集模块、信号处理模块、数据存储模块、预警模块、以及供电模块，各模块之间通过导线或者无线通信方式连接，实现动力电池包状态的全方位、实时监测；

31、所述阵列式柔性温度压力一体式传感器，作为系统的核心监测部件，贴合安装与所述动力电池包的表面或者内部间隙；

32、所述信号采集模块与传感器的底部导电电极和顶部导电电极点连接，用于实时采集温敏传感单元的电阻变化信号、以及力敏传感单元的电阻变化信号；

33、所述信号处理模块接收所述信号采集模块传输的电阻变化信号，对信号进行滤波、放大、模数转化处理，将电阻变化信号转换为可识别、可分析的温度数据和压力数据，并根据所述压力数据和所述温度数据的突变特征，进行穿刺风险识别；

34、所述数据存储模块用于存储信号处理模块输出的温度数据和压力数据；

35、所述预警模块与所述信号处理模块电连接，系统预设温度阈值、压力阈值及穿刺判断阈值，当监测到的数据超出判断阈值时，所述预警模块发出预警信号；

36、所述供电模块为整个监测系统提供稳定的供电。

37、本发明的有益效果是：

38、1、微观结构创新，彻底解决传统传感材料固有缺陷：本发明首创负压液相渗透组装结合瞬态气相发泡工艺的双工艺协同，在温敏、力敏功能层内部构筑多级连通型介孔纳米骨架，替代传统单一共混致密成型结构。通过材料粒子有序排布+均匀介孔孔隙的复合结构，解决导电粒子团聚、片层堆叠、导电通路闭塞等问题，构建连续、均匀、高稳定的三维导电网络，从微观层面消除传感器响应滞后、性能漂移、循环衰减的技术痛点，大幅提升传感材料的结构稳定性与服役寿命。

39、2、结构优化，温压一体且无监测盲区：传感器采用“柔性承载基底-底部导电电极-力敏/温敏复合功能点阵-绝缘分隔介质-上层力敏响应层-顶部导电电极-表面封装防护层”的一体化叠层结构，增设镂空式绝缘分隔介质，既实现双相力敏传感单元的稳定贴合与绝缘隔离，又通过镂空区域保障两层力敏传感单元的有效接触。温敏功能单元与双相力敏传感单元以点阵交错嵌合形式排布，完整覆盖柔性承载基底表面，实现动力电池包的超大面域全域同步检测；同时集成温敏、压感功能，无需单独安装两种传感器，简化安装流程，节省电池包空间。

40、3、压感灵敏度高，检测精准稳定：依托多级连通型介孔纳米骨架的弹性形变特性，配合纵横交错式电极阵列、双相力敏对位结构及镂空绝缘介质，可精准捕捉0-10mpa范围内的微小压力突变，压力测量误差≤±0.1mpa。多孔骨架可缓冲反复压力循环应力，5000次循环后性能衰减≤5%，回弹性优异；绝缘隔离结构结合微观导电网络优化，彻底杜绝层间信号串扰，检测精度与稳定性大幅提升。

41、4、抗干扰能力强，温压检测无交叉耦合：表面封装差异化镂空垫高设计、电极错位布设、温敏单元间隙布设，结合纳米骨架稳定的导电特性，有效隔离压力、温度、环境干扰。温敏功能单元在-40℃~120℃宽温域内电阻漂移≤2%，温度测量误差≤±1℃，压力作用下温度电阻变化≤1%，无信号交叉干扰，适配电池包复杂工况监测。

42、5、柔性优良，工况适配性极强：多级介孔纳米骨架具备优异的力学缓冲性能，配合全柔性材料体系，传感器可弯曲至曲率半径5mm，1000次弯折后电阻变化≤3%，无分层脱落。绝缘介质与多孔传感层协同保柔性，可完美贴合电池包复杂曲面，同时耐受高低温交变、密闭老化工况，极端环境适配性远优于传统致密型传感器。

43、6、监测系统功能全面，实用性强：基于该传感器构建的监测系统，集成信号采集、处理、存储、预警一体化功能，可实时监测电池包温度、压力变化，精准识别电芯过热、电芯膨胀、穿刺风险，响应速度≤1s，预警及时可靠；数据可长期回溯，为电池包故障分析、寿命评估提供完整数据支撑。

44、7、制备工艺简单，易于规模化推广：双工艺协同制备纳米骨架的方式基于丝网印刷、负压组装、低温发泡等成熟工艺，无需精密微纳加工设备，制备成本低、一致性好，可实现大面积阵列传感器的批量生产，工业化推广价值高。