一种基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器及其制备方法

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器及其制备方法。


背景技术：

2.柔性可穿戴传感器由于其舒适性、便携性的优点，在电子皮肤、人机界面、柔性触摸显示器和智能机器人等应用中具有潜在优势，引起了广泛的关注及研究。水凝胶由于具有良好的可拉伸性和生物相容性，并且水凝胶的材料来源广泛，制备工艺简单，可以借助不同的功能性单体获得多功能性，成为了制备柔性多功能传感器的优选材料。然而，目前采用水凝胶制备的多功能柔性传感器无法兼顾高灵敏性和多功能性。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器及其制备方法。
4.本发明实施例一方面所采取的技术方案是：
5.一种基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器，包括：
6.多孔水凝胶，所述多孔水凝胶中包括聚n-异丙基丙烯酰胺和海藻酸钠；
7.衬底层，设置在所述多孔水凝胶的一侧；
8.覆盖层，设置在所述多孔水凝胶远离所述衬底层的一侧。
9.作为一种可选的实施方式，在所述多孔水凝胶中，所述聚n-异丙基丙烯酰胺和所述海藻酸钠在分子领域形成半互穿网络结构。
10.作为一种可选的实施方式，所述衬底层包括第一医用胶带层和第一电极层；
11.所述第一电极层设置在所述第一医用胶带层带有粘性的一侧，所述第一电极层远离所述第一医用胶带层的一侧与所述多孔水凝胶接触。
12.作为一种可选的实施方式，所述覆盖层包括第二医用胶带层和第二电极层；
13.所述第二电极层设置在所述第二医用胶带层带有粘性的一侧，所述第二电极层远离所述第二医用胶带层的一侧与所述多孔水凝胶接触。
14.作为一种可选的实施方式，所述第一医用胶带层的长度比所述第二医用胶带层的长度长，所述第二医用胶带层的两端粘贴在所述第一医用胶带层上。
15.作为一种可选的实施方式，所述第一电极层和所述第二电极层采用铜箔和带有绝缘层的导线制备而得。
16.本发明实施例另一方面所采取的技术方案是：
17.一种基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的制备方法，包括以下步骤：
18.制备衬底层；
19.在所述衬底层的一侧通过致孔剂法制备多孔水凝胶，所述多孔水凝胶中包括聚n-异丙基丙烯酰胺和海藻酸钠；
20.在所述多孔水凝胶远离所述衬底层的一侧制备覆盖层。
21.作为一种可选的实施方式，所述在所述衬底层的一侧通过致孔剂法制备多孔水凝胶，包括：
22.以聚乙二醇作为致孔剂，采用预设比例的单体n-异丙基丙烯酰胺和海藻酸钠，通过致孔剂法在所述衬底层的一侧制备所述多孔水凝胶。
23.作为一种可选的实施方式，所述衬底层包括第一医用胶带层和第一电极层；
24.所述制备衬底层，包括：
25.制备所述第一电极层；
26.将所述第一电极层设置在所述第一医用胶带层带有粘性的一侧，所述第一电极层远离所述第一医用胶带层的一侧与所述多孔水凝胶接触。
27.作为一种可选的实施方式，所述覆盖层包括第二医用胶带层和第二电极层；
28.所述在所述多孔水凝胶远离所述衬底层的一侧制备覆盖层，包括：
29.制备所述第二电极层；
30.将所述第二电极层设置在所述第二医用胶带层带有粘性的一侧，所述第二电极层远离所述第二医用胶带层的一侧与所述多孔水凝胶接触。
31.本发明实施例的基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器及其制备方法，在衬底层和覆盖层之间设置包括聚n-异丙基丙烯酰胺和海藻酸钠的多孔水凝胶，多孔水凝胶内部的大量孔洞使得电阻式多功能传感器受到压力时内部孔壁的接触面明显增大，提升了传感器的压力敏感性；多孔水凝胶使得电阻式多功能传感器与外部环境具有较大的接触面积，在干燥环境中迅速失水，在潮湿环境中迅速吸水，提升了传感器的湿敏性；多孔水凝胶中的聚n-异丙基丙烯酰胺在低温下分子链舒展，在高温下分子链皱缩，提升了传感器的温敏性；多孔水凝胶中的海藻酸钠在ph降低时逐渐形成海藻酸凝胶，在ph升高时逐渐溶解，提升了传感器的ph响应性。因此，本发明实施例的电阻式多功能传感器兼顾了高灵敏性和多功能性。
附图说明
32.图1为本发明实施例基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的结构示意图；
33.图2为本发明实施例基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的制备方法流程图；
34.图3为本发明实施例基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的多孔水凝胶制备流程图；
35.图4为本发明实施例基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的压力敏感性测试图；
36.图5为本发明实施例基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的稳定性测试图；
37.图6为本发明实施例基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的温敏性测试图；
38.图7为本发明实施例基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的ph响应性测试图；
39.图8为本发明实施例基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的湿敏性测试图。
具体实施方式
40.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是
本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
41.本技术的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
42.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
43.柔性可穿戴传感器由于其舒适性、便携性的优点，在电子皮肤、人机界面、柔性触摸显示器和智能机器人等应用中具有潜在优势，引起了广泛的关注及研究。水凝胶由于具有良好的可拉伸性和生物相容性，并且水凝胶的材料来源广泛，制备工艺简单，可以借助不同的功能性单体获得多功能性，成为了制备柔性多功能传感器的优选材料。然而，目前采用水凝胶制备的多功能柔性传感器无法兼顾高灵敏性和多功能性。
44.为此，本发明实施例提出了一种基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器及其制备方法，在衬底层和覆盖层之间设置包括聚n-异丙基丙烯酰胺和海藻酸钠的多孔水凝胶，多孔水凝胶内部的大量孔洞使得电阻式多功能传感器受到压力时内部孔壁的接触面明显增大，提升了传感器的压力敏感性；多孔水凝胶使得电阻式多功能传感器与外部环境具有较大的接触面积，在干燥环境中迅速失水，在潮湿环境中迅速吸水，提升了传感器的湿敏性；多孔水凝胶中的聚n-异丙基丙烯酰胺在低温下分子链舒展，在高温下分子链皱缩，提升了传感器的温敏性；多孔水凝胶中的海藻酸钠在ph降低时逐渐形成海藻酸凝胶，在ph升高时逐渐溶解，提升了传感器的ph响应性。因此，本发明实施例的电阻式多功能传感器兼顾了高灵敏性和多功能性。
45.如图1所示，本发明实施例提出了一种基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器，所述基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器包括：
46.多孔水凝胶101，多孔水凝胶中包括聚n-异丙基丙烯酰胺(pnipam)和海藻酸钠(sa)；
47.衬底层，设置在多孔水凝胶的一侧；
48.覆盖层，设置在多孔水凝胶远离衬底层的一侧。
49.可选地，多孔水凝胶采用质量比为9：1的单体n-异丙基丙烯酰胺(nipam)和sa合成，本发明实施例对nipam和sa的比例不作限定，可根据实际使用要求调整nipam和sa的比例。
50.作为一种可选的实施方式，在多孔水凝胶101中，聚n-异丙基丙烯酰胺和海藻酸钠在分子领域形成半互穿网络结构。
51.作为一种可选的实施方式，衬底层包括第一医用胶带层102和第一电极层103；
52.第一电极层103设置在第一医用胶带层102带有粘性的一侧，从而更好地固定第一
电极层103，第一电极层103远离第一医用胶带层102的一侧与多孔水凝胶101接触。
53.作为一种可选的实施方式，覆盖层包括第二医用胶带层104和第二电极层105；
54.第二电极层105设置在第二医用胶带层104带有粘性的一侧，从而更好地固定第二电极层105，第二电极层105远离第二医用胶带层104的一侧与多孔水凝胶101接触。
55.本发明实施例采用的第一医用胶带层和第二医用胶带层具有一定的硬性，在基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器受到压力时，带动多孔水凝胶产生大面积的形变，从而进一步提升基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的灵敏度。
56.作为一种可选的实施方式，第一医用胶带层的长度比第二医用胶带层的长度长，第二医用胶带层的两端粘贴在第一医用胶带层上，使得本发明实施例的基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器具有类似创可贴的构造，能够直接粘贴在待测试部位进行测试。
57.作为一种可选的实施方式，第一电极层103和第二电极层105采用铜箔和带有绝缘层的导线制备而得。
58.其中，铜箔的粘贴面积较大，使得第一电极层103和第二电极层105的粘贴效果更好，不易脱落；带有绝缘层的导线稳定性较高，在极端环境中不易损坏。参照图1，在本发明实施例中，将带有绝缘层的导线一端缠绕在铜箔上，另一端引到基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器外，便于接入测试电路。
59.可选地，铜箔采用带胶铜箔，进一步提升第一电极层103和第二电极层105的粘贴效果。
60.可选地，第一电极层103和第二电极层105还可以采用其他电极，如叉指电极等，本发明对此不作限定。
61.基于图1的基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器，本发明实施例提供了一种基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的制备方法，如图2所示，该制备方法包括以下步骤s101-s103：
62.s101、制备衬底层；
63.其中，衬底层包括第一医用胶带层和第一电极层。
64.具体地，制备衬底层包括以下步骤：
65.1)制备第一电极层；
66.2)将第一电极层设置在第一医用胶带层带有粘性的一侧，其中，第一电极层远离第一医用胶带层的一侧与多孔水凝胶接触。
67.s102、在所述衬底层的一侧通过致孔剂法制备多孔水凝胶；
68.其中，多孔水凝胶中包括聚n-异丙基丙烯酰胺和海藻酸钠。
69.可选地，多孔水凝胶中还可以添加其他功能性单体以丰富传感器的多功能性。
70.参照图3，具体地，在本发明的实施例中，以聚乙二醇(peg)作为致孔剂，采用预设比例的nipam和sa，通过致孔剂法在衬底层的一侧制备多孔水凝胶。可选地，采用质量比为9：1的nipam和sa，本发明实施例对nipam和sa的比例不作限定，可根据实际使用要求调整nipam和sa的比例，即调整预设比例。
71.本发明实施例采用的peg致孔剂分子量较大且易溶于水，在制备多孔水凝胶过程中不参与聚合反应，并在反应物中占据大量空间；聚合反应结束后，将peg溶于水中脱离水凝胶，从而在水凝胶中留下大量的孔洞，形成具有多孔结构的水凝胶(多孔水凝胶)。
72.在本发明的实施例中，在制备过程中，将多孔水凝胶浸泡于盐水溶液中以提升多孔水凝胶的导电性。可选地，盐水溶液采用无水氯化钠，污水氯化钠中的钠离子于sa交联，提高了多孔水凝胶的韧性，使得多孔水凝胶的结构更加牢固。
73.s103、在所述多孔水凝胶远离所述衬底层的一侧制备覆盖层。
74.其中，覆盖层包括第二医用胶带层和第二电极层。
75.具体地，在多孔水凝胶远离衬底层的一侧制备覆盖层包括以下步骤：
76.1)制备第二电极层；
77.2)将第二电极层设置在第二医用胶带层带有粘性的一侧，第二电极层远离第二医用胶带层的一侧与多孔水凝胶接触。
78.图4示出了本发明实施例的基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的压力敏感性，其中多孔水凝胶采用质量比为9：1的nipam和sa合成而得。根据图4可知，在对传感器施加不同压力后传感器表现出不同的相应程度，在压力较小时表现出较高的灵敏度，说明了本发明实施例的基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器对微小的压力变化具有较高的响应性(灵敏度高)，即具有较高的压力敏感性，在实际应用中，能够精确地捕捉人体细微的活动信号，如呼吸和脉搏等。
79.图5示出了本发明实施例的基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的稳定性。根据图5可知，通过进行在1kpa的恒定压力下的循环实验(循环500次)，证明本发明实施例的基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的多孔结构不易在反复受压后产生大的形变，具有较高的稳定性。
80.图6示出了本发明实施例的基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的温敏性，通过将基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器迅速靠近和远离加热台，并观察传感器的电阻变化。根据图6可知，本发明实施例基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器具有灵敏的温度响应性能。
81.图7示出了本发明实施例的基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的ph响应性，通过将基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器浸入不同ph的缓冲液中并取出，并观察传感器的电阻变化及汇总统计分析。根据图7可知，本发明实施例基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器具有较高的ph响应性。
82.图8示出了本发明实施例的基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器的湿敏性，通过将基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器置于不同湿度的环境中一段时间(每个湿度下的放置时间统一)，并在每次测试完成后置于98％湿度的环境中进行平衡。根据图8可知，本发明实施例的基于多孔水凝胶的电阻式多功能传感器具有较高的湿敏性。
83.结合图1-8以及步骤s101-s103可知，在本发明的实施例中，在衬底层和覆盖层之间设置包括聚n-异丙基丙烯酰胺和海藻酸钠的多孔水凝胶，多孔水凝胶内部的大量孔洞使得电阻式多功能传感器受到压力时内部孔壁的接触面明显增大，提升了传感器的压力敏感性；多孔水凝胶使得电阻式多功能传感器与外部环境具有较大的接触面积，在干燥环境中迅速失水，在潮湿环境中迅速吸水，提升了传感器的湿敏性；多孔水凝胶中的聚n-异丙基丙烯酰胺在低温下分子链舒展，在高温下分子链收缩，提升了传感器的温敏性；多孔水凝胶中的海藻酸钠在ph降低时逐渐形成海藻酸凝胶，在ph升高时逐渐溶解，提升了传感器的ph响应性。因此，本发明实施例的电阻式多功能传感器兼顾了高灵敏性和多功能性。
84.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。