一种压力、温度和电热柔性多模态传感器阵列及其制备方法和应用

本申请涉及传感器制备，尤其涉及一种压力、温度和电热柔性多模态传感器阵列及其制备方法和应用。

背景技术：

1、对于现有的多模电子皮肤制备技术和结构设计来说，目前主要存在以下缺点：首先在结构设计上，目前主要分为两种：第一种是将彼此分立的单一功能传感通过简单叠加构成多传感，第二种是基于同一材质设计实现不同的功能。对于第一种设计，这种通过将各分立的功能简单叠加的技术在制备上本质上是各分立制备工艺技术的叠加并不能减少制备成本反而可能会增加成本，且还需考虑不同功能之间是否会存在相互影响。而对于第二种设计虽能减少制备步骤和制备工艺，但不同功能间的相互干扰问题成为该设计中难以规避的一大难题。

2、此外，在设计时现存的电子皮肤设计极少形成感知—反馈循环系统，而这一循环系统是一完整电子皮肤应具备的功能。其次在制备技术上，对于电极的制备通常通过微纳加工工艺中的金属溅射、刻蚀、光刻等工艺来制备，这种制备方式虽能保证电极的精度和质量，但也需承担高额的制作成本；对于具备微结构的传感层的制备，常见的是通过模板倒模形成所需结构，而模板的定制大多通过在硅片上刻蚀或者通过激光打印定制，且对于定制好的模板难以改变设计好的结构，除了模板外，还有一些是通过一些其它工艺如施加特定电场磁场等工艺来制备，此类方法往往只适用于特定场景，难以普及。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本申请的目的在于：提供一种工艺简单、制造成本低且能够实现温度响应调节的压力、温度和电热柔性多模态传感器阵列及其制备方法和应用。

2、为实现上述目的，本申请实施例的一方面提出了一种压力、温度和电热柔性多模态传感器阵列，所述多模态传感器阵列由下至上依次包括通过丝网印刷工艺制备的加热层导电母线电极、柔性电加热层、压力传感阵列底层电极层、压力传感阵列传感层、压力传感阵列顶层电极层、温度传感阵列插指电极以及温度传感阵列传感层，所述压力传感阵列底层电极层、所述压力传感阵列传感层以及所述压力传感阵列顶层电极层用于检测压力信号，所述温度传感阵列插指电极和所述温度传感阵列传感层用于检测温度信号，所述加热层导电母线电极和所述柔性电加热层用于响应于所述温度信号，产生热量。

3、在一些实施例中，所述多模态传感器阵列还包括通过丝网印刷工艺制备的第一压力传感阵列隔离层和第二压力传感阵列隔离层，所述第一压力传感阵列隔离层位于所述压力传感阵列底层电极层与所述压力传感阵列传感层之间，所述第二压力传感阵列隔离层位于所述压力传感阵列传感层与所述压力传感阵列顶层电极层之间。

4、在一些实施例中，所述多模态传感器阵列还包括第一柔性基底分隔层和第二柔性基底分隔层，所述第一柔性基底分隔层位于所述柔性电加热层与所述压力传感阵列底层电极层之间，所述第二柔性基底分隔层位于所述压力传感阵列顶层电极层与所述温度传感阵列插指电极之间。

5、在一些实施例中，所述多模态传感器阵列还包括第一柔性基底封装层和第二柔性基底封装层，所述第一柔性基底封装层位于所述多模态传感器阵列的最底层，所述第二柔性基底封装层位于所述多模态传感器阵列的最顶层。

6、为实现上述目的，本申请实施例的另一方面提出了一种压力、温度和电热柔性多模态传感器阵列的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

7、将可印刷导电浆料通过丝网网板印刷在第一柔性基底封装层上，经固化后制得加热层导电母线电极；

8、将碳浆通过丝网网板印刷在所述加热层导电母线电极上，经固化后制得柔性电加热层；

9、将可印刷导电浆料通过丝网网板印刷在柔性基底分隔层上，经固化后制得压力传感阵列底层电极层、压力传感阵列顶层电极层以及温度传感阵列插指电极；

10、制备压力离子敏感层油墨和温度离子敏感层油墨；

11、将所述压力离子敏感层油墨通过丝网网板印刷在所述压力传感阵列底层电极层上，经固化后制得压力传感阵列传感层；

12、将所述温度离子敏感层油墨通过丝网网板印刷在所述温度传感阵列插指电极上，经固化后制得温度传感阵列传感层；

13、由下至上依次对所述加热层导电母线电极、所述柔性电加热层、所述压力传感阵列底层电极层、所述压力传感阵列传感层、所述压力传感阵列顶层电极层、所述温度传感阵列插指电极以及所述温度传感阵列传感层进行叠加封装，制得所述多模态传感器阵列。

14、在一些实施例中，所述制备方法还包括：

15、将可拉伸无导电材料通过丝网网板印刷在所述压力传感阵列底层电极层的上表面，经固化后制得第一压力传感阵列隔离层；

16、将可拉伸无导电材料通过丝网网板印刷在所述压力传感阵列顶层电极层的下表面，经固化后制得第二压力传感阵列隔离层。

17、在一些实施例中，所述制备压力离子敏感层油墨和温度离子敏感层油墨，具体包括：

18、将聚合物颗粒加入n,n-二甲基甲酰胺溶剂中，持续搅拌直至所述聚合物颗粒完全溶解，制得聚合物分散液；

19、取另一容器加入n,n-二甲基甲酰胺溶剂和离子液体，并加入氮化硼颗粒作为填料，制得混合体系；

20、将所述聚合物分散液和所述混合体系进行混合搅拌，制得所述压力离子敏感层油墨和所述温度离子敏感层油墨。

21、在一些实施例中，所述聚合物颗粒为热塑性聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚氨酯中的一种，所述离子液体包括磷酸、1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺以及1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰)亚胺盐中的至少一种或组合。

22、在一些实施例中，所述离子液体的体积为6~12ml，所述氮化硼的质量为4~6g。

23、为实现上述目的，本申请实施例的另一方面提出了一种压力、温度和电热柔性多模态传感器阵列在柔性电子皮肤中的应用。

24、本申请的有益效果是：本申请的压力、温度和电热柔性多模态传感器阵列及其制备方法和应用，多模态传感器阵列由下至上依次包括通过丝网印刷工艺制备的加热层导电母线电极、柔性电加热层、压力传感阵列底层电极层、压力传感阵列传感层、压力传感阵列顶层电极层、温度传感阵列插指电极以及温度传感阵列传感层，压力传感阵列底层电极层、压力传感阵列传感层以及压力传感阵列顶层电极层用于检测压力信号，温度传感阵列插指电极和温度传感阵列传感层用于检测温度信号，加热层导电母线电极和柔性电加热层用于响应于温度信号，产生热量。本申请包括全丝网印刷工艺制备的柔性压力/温度/热反馈传感器阵列，可以同时实现压力和温度的检测及对温度检测结果进行实时热反馈，且不会相互干扰，整体工艺简单、制造成本低。

1.一种压力、温度和电热柔性多模态传感器阵列，其特征在于，所述多模态传感器阵列由下至上依次包括通过丝网印刷工艺制备的加热层导电母线电极、柔性电加热层、压力传感阵列底层电极层、压力传感阵列传感层、压力传感阵列顶层电极层、温度传感阵列插指电极以及温度传感阵列传感层，所述压力传感阵列底层电极层、所述压力传感阵列传感层以及所述压力传感阵列顶层电极层用于检测压力信号，所述温度传感阵列插指电极和所述温度传感阵列传感层用于检测温度信号，所述加热层导电母线电极和所述柔性电加热层用于响应于所述温度信号，产生热量。

2.根据权利要求1所述的多模态传感器阵列，其特征在于，所述多模态传感器阵列还包括通过丝网印刷工艺制备的第一压力传感阵列隔离层和第二压力传感阵列隔离层，所述第一压力传感阵列隔离层位于所述压力传感阵列底层电极层与所述压力传感阵列传感层之间，所述第二压力传感阵列隔离层位于所述压力传感阵列传感层与所述压力传感阵列顶层电极层之间。

3.根据权利要求1所述的多模态传感器阵列，其特征在于，所述多模态传感器阵列还包括第一柔性基底分隔层和第二柔性基底分隔层，所述第一柔性基底分隔层位于所述柔性电加热层与所述压力传感阵列底层电极层之间，所述第二柔性基底分隔层位于所述压力传感阵列顶层电极层与所述温度传感阵列插指电极之间。

4.根据权利要求1所述的多模态传感器阵列，其特征在于，所述多模态传感器阵列还包括第一柔性基底封装层和第二柔性基底封装层，所述第一柔性基底封装层位于所述多模态传感器阵列的最底层，所述第二柔性基底封装层位于所述多模态传感器阵列的最顶层。

5.一种压力、温度和电热柔性多模态传感器阵列的制备方法，用于制备如权利要求1至4中任一项所述的多模态传感器阵列，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备压力离子敏感层油墨和温度离子敏感层油墨，具体包括：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物颗粒为热塑性聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚氨酯中的一种，所述离子液体包括磷酸、1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺以及1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰)亚胺盐中的至少一种或组合。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述离子液体的体积为6~12ml，所述氮化硼的质量为4~6g。

10.一种如权利要求1至4中任一项所述的压力、温度和电热柔性多模态传感器阵列在柔性电子皮肤中的应用。