一种高灵敏度柔性温度压力双模解耦和传感器

1.本发明属于柔性传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度柔性温度压力双模解耦和传感器。


背景技术：

2.柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性、可自由弯曲甚至折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂的被测量物体进行检测。柔性传感器具有非常好的应用前景，广泛应用在环境监测或电子皮肤等领域。
3.随着柔性传感技术的快速发展，模拟人体皮肤触觉感知功能的电子皮肤引发关注。一个理想的电子皮肤应该具备多功能的传感能力，即同时检测不同类型刺激的能力，特别是同时检测压力和温度的电子皮肤(即温度压力双模传感器)，对于自我保护、触摸识别和物体抓取至关重要。
4.目前，构建柔性温度传感器的设计思路主要包括热释电温度传感器与电阻温度传感器两种。其中，热释电温度传感器通过温度的变化来改变热电材料的剩余极化，从而在晶体的两个表面上产生相反的束缚电荷。尽管基于热释电效应的温度传感器具有低成本和宽量程的优势，但是其较低的温度响应限制了其在实际应用场景中的应用；电阻温度传感器通过敏感材料的电阻变化来检测温度，具有温度响应高、温度响应线性度高和稳定性好的优点。
5.因此，传统的温度压力双模传感器中的温度传感器主要为电阻温度传感器，但是目前大多数的柔性电阻温度传感器容易受到压力干扰，进而会影响到温度压力双模传感器的使用，降低温度压力双模传感器的准确度和精度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种高灵敏度柔性温度压力双模解耦和传感器，本发明提供的温度压力双模传感器能够避免温度传感层和湿度传感层发生相互串扰，提高温度压力双模传感器的准确度和精度。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.本发明提供了一种温度压力双模传感器，由下到上包括依次层叠设置的第一柔性电极、压力传感层、第二柔性电极和温度传感层；
9.所述压力传感层的上表面设置有若干凸起和凹陷；
10.所述第一柔性电极包括第一柔性基底和层叠设置在所述第一柔性基底上表面的第一平板电极层；
11.所述第二柔性电极包括第二平板电极层、层叠设置在所述第二平板电极层上表面的第二柔性基底、以及层叠设置在所述第二柔性基底上表面的叉指电极层；
12.所述压力传感层的材料包括偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物和离子液体；
13.所述温度传感层的材料包括聚氨酯聚丙烯酸酯基复合弹性体和改性聚苯乙烯微球；
14.所述聚氨酯聚丙烯酸酯基复合弹性体具有双网络交联体系；
15.所述改性聚苯乙烯微球包括聚苯乙烯核和包裹在所述聚苯乙烯核表面的聚苯胺层；所述聚苯胺层的外表面具有三维凸起结构。
16.优选的，所述压力传感层中偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物和离子液体的质量比为7：3～10：1。
17.优选的，所述压力传感层的厚度为50～200μm。
18.优选的，单个凸起的高度为50～100μm；单个凹陷的深度为30～50μm。
19.优选的，所述聚苯乙烯核和聚苯胺层的质量比为7：3；
20.所述聚氨酯聚丙烯酸酯基复合弹性体和改性聚苯乙烯微球的质量比为8：2～19：1。
21.优选的，所述温度传感层的厚度为50～200μm。
22.优选的，所述第一柔性基底和第二柔性基底的材料独立的为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、高密度聚乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物或聚丙烯，厚度独立的为10～100μm。
23.优选的，所述第一平板电极层、第二平板电极层和叉指电极层的材料独立的为金、铂、银、铜、铝和钛中的一种或几种；
24.所述第一平板电极层和第二平板电极层的厚度独立的为0.1～10μm；
25.所述叉指电极层的厚度为0.1～10μm。
26.本发明还提供了上述技术方案所述温度压力双模传感器的制备方法，包括以下步骤：
27.在第一柔性基底上制备第一平板电极层，得到第一柔性电极；
28.在第二柔性基底的两侧分别制备第二平板电极层和叉指电极层，得到第二柔性电极；
29.将含有偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、离子液体和第一极性有机溶剂的混合液浇注在模板上，经干燥得到压力传感层；所述模板的表面设置有若干凸起和凹陷；
30.将聚氨酯丙烯酸酯预聚体、低聚物、光引发剂、第二极性有机溶剂和改性聚苯乙烯微球混合，得到树脂混合液；
31.将所述树脂混合液涂覆在所述第二柔性电极的叉指电极层的表面，经固化得到温度传感单元；所述温度传感单元包括层叠设置的温度传感层和第二柔性电极；
32.将所述温度传感单元、压力传感器和第一柔性电极由上到下依次贴合，得到所述温度压力双模传感器。
33.本发明还提供了上述技术方案所述的温度压力双模传感器或上述技术方案所述的制备方法制备得到的温度压力双模传感器在电子皮肤或环境监测中的应用。
34.在本发明中，温度传感层由聚氨酯丙烯酸酯复合弹性体和改性聚苯乙烯微球混合组成，温度传感层的电极使用叉指电极层与温度传感层紧密贴合；温度传感层的传感机制包括叉指电极层的接触电阻和温度传感层的体电阻，当温度发生变化时，改性聚苯乙烯微球表面的聚苯胺层的电阻发生改变引起温度传感层的体电阻发生变化，由于温度传感层与叉指电极层之间紧密贴合，两层之间的接触电阻稳定保持不变。因此，当外力施加在温度传
感层上时，压力对温度传感层的体电阻与接触电阻影响极小，该温度传感层对外部压力无响应只对温度变化产生响应。此外，通过在聚苯乙烯微球外包裹具有三维凸起结构的聚苯胺层，极大地提高了温度传感层的温度传感灵敏度与温度响应恢复速度，且具有较高的稳定性和超常的耐久度。
35.在本发明中，压力传感层为表面带有凸起和凹陷微结构且掺杂有离子液体的偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物薄膜，压力传感层的两侧分别设置有两层平板电极层。通过在薄膜中加入离子液体，使得在薄膜中存在可以自由移动的带电离子，当受到外加电场的作用下，上下层平板电极层与薄膜形成双电层型电容。当传感器受到外加压力时，薄膜发生形变，由于薄膜表面存在微结构，随着压力的增大，薄膜的上表面与上层平板电极的接触面积增加，从而引起电容值的增加。此外，该压力传感层对温度响应不敏感，温度变化对压力传感层的影响极小。因此，本发明提供的温度压力双模传感器，解决了传统的温度传感层和压力传感层相互串扰的问题，进而提高了双模传感器的检测准确度和精度。
附图说明
36.图1本发明提供的温度压力双模传感器的结构示意图；其中1-温度传感层，2-叉指电极层，3-第二柔性基底，4-第二平板电极层，5-压力传感层，6-第一平板电极层，7-第一柔性基底；
37.图2本发明提供的叉指电极层的俯视图；
38.图3为实施例1的制备流程示意图；
39.图4为实施例1得到的聚苯乙烯微球的sem图；
40.图5为实施例1得到的改性聚苯乙烯微球的sem图；图6为实施例1得到的压力传感层的sem图；
41.图7为本发明采用的模板的结构示意图；
42.图8为实施例1得到的温度压力双模传感器的压力响应图；
43.图9为实施例1得到的温度压力双模传感器的压力疲劳测试响应图；
44.图10为实施例1得到的温度压力双模传感器的压力疲劳测试响应图；
45.图11为实施例1得到的温度压力双模传感器的温度响应图；
46.图12为实施例1得到的温度压力双模传感器只进行压力测试的激励响应图；
47.图13为实施例1得到的温度压力双模传感器只进行温度测试的激励响应图；
48.图14为实施例1得到的温度压力双模传感器进行温度和压力双重测试的激励响应图。
具体实施方式
49.本发明提供了一种温度压力双模传感器，由下到上包括依次层叠设置的第一柔性电极、压力传感层、第二柔性电极和温度传感层；
50.所述压力传感层的上表面设置有若干凸起和凹陷；
51.所述第一柔性电极包括第一柔性基底和层叠设置在所述第一柔性基底上表面的第一平板电极层；
52.所述第二柔性电极包括第二平板电极层、层叠设置在所述第二平板电极层上表面
的第二柔性基底、以及层叠设置在所述第二柔性基底上表面的叉指电极层；
53.所述压力传感层的材料包括偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物和离子液体；
54.所述温度传感层的材料包括聚氨酯聚丙烯酸酯基复合弹性体和改性聚苯乙烯微球；
55.所述聚氨酯聚丙烯酸酯基复合弹性体具有双网络交联体系；
56.所述改性聚苯乙烯微球包括聚苯乙烯核和包裹在所述聚苯乙烯核表面的聚苯胺层；所述聚苯胺层的外表面具有三维凸起结构。
57.在本发明中，所述偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(pvdf-trfe)和离子液体的质量比优选为7：3～10：1。在本发明中，所述离子液体优选包括咪唑类离子液体、吡啶类离子液体、季铵类离子液体、季鏻类离子液体、吡咯烷类离子液体或哌啶类离子液体；所述咪唑类离子液体优选包括1-己基咪唑硝酸盐、1-己基咪唑醋酸盐、1-己基咪唑三氟乙酸盐、1-辛基咪唑氯盐、1-辛基咪唑四氟硼酸盐、1-辛基咪唑硫酸氢盐、1-辛基咪唑磷酸二氢盐、1-辛基咪唑甲磺酸盐、1-辛基咪唑对甲苯磺酸盐、1-辛基咪唑三氟甲磺酸盐、1-辛基咪唑硝酸盐、1-辛基咪唑醋酸盐、1-辛基咪唑三氟乙酸盐、1-癸基咪唑氯盐、1-癸基咪唑四氟硼酸盐、1-癸基咪唑硫酸氢盐、1-癸基咪唑磷酸二氢盐、1-癸基咪唑对甲苯磺酸盐、1-癸基咪唑三氟甲磺酸盐、1-癸基咪唑硝酸盐、1-癸基咪唑醋酸盐、1-癸基咪唑三氟乙酸盐、1-十二烷基咪唑氯盐、1-十二烷基咪唑四氟硼酸盐、1-十二烷基咪唑硫酸氢盐、1-十二烷基咪唑磷酸二氢盐、1-十二烷基咪唑对甲苯磺酸盐、1-十二烷基咪唑三氟甲磺酸盐、1-十二烷基咪唑硝酸盐、1-十二烷基咪唑醋酸盐、1-十二烷基咪唑三氟乙酸盐、1,3-二异丙基咪唑氯盐和1,3-二异丙基咪唑四氟硼酸盐中的一种或几种；所述季铵类离子液体优选包括1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐。
58.在本发明中，所述压力传感层的厚度优选为50～200μm，进一步优选为80～180μm，更优选为100～150μm。
59.在本发明中，单个凸起的高度优选为50～100μm，进一步优选为60～90μm，更优选为70～80μm；单个凹陷的深度优选为30～50μm，进一步优选为30～40μm。在本发明中，所述凸起和凹陷的形状独立的优选为圆柱体，所述圆柱体的直径优选为50μm。本发明对所述若干凸起和若干凹陷的排列方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。
60.在本发明中，所述聚苯乙烯核和聚苯胺层的质量比为7：3。在本发明中，所述聚苯乙烯核的粒径优选为1～5μm；所述聚苯胺层的厚度优选为0.3～2μm。
61.在本发明中，所述改性聚苯乙烯微球优选通过制备得到，所述制备方法优选包括：
62.将苯乙烯、2,2-偶氮二异丁腈、聚乙烯吡咯烷酮、乙醇和去离子水第一混合，进行第一聚合反应，得到聚苯乙烯微球；
63.将所述聚苯乙烯微球、苯胺、水和硝酸铁溶液第二混合，进行第二聚合反应，得到所述改性聚苯乙烯微球。
64.本发明将苯乙烯、2,2-偶氮二异丁腈、聚乙烯吡咯烷酮、乙醇和去离子水第一混合，进行第一聚合反应，得到聚苯乙烯微球。
65.在本发明中，所述苯乙烯和2,2-偶氮二异丁腈的质量比优选为100：1；所述苯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮的质量比优选为100：9；所述苯乙烯、乙醇和去离子水的质量比优选为100：302：38。
66.在本发明中，所述第一混合优选在搅拌的条件下进行；所述搅拌的转速优选为900rpm，时间优选包括1h。在本发明中，所述搅拌优选在氮气中进行。
67.在本发明中，所述第一聚合反应的温度优选为70℃，时间优选为24h。在本发明中，所述第一聚合反应优选在搅拌的条件下进行；所述搅拌的转速优选为900rpm。在本发明中，所述第一聚合反应优选在氮气中进行。
68.所述第一聚合反应后，本发明还优选包括对得到的微球进行水洗。本发明对所述水洗的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
69.得到所述聚苯乙烯微球后，本发明将所述聚苯乙烯微球、苯胺、水和硝酸铁溶液第二混合，进行第二聚合反应，得到所述改性聚苯乙烯微球。
70.在本发明中，所述聚苯乙烯微球和苯胺的质量比优选为3：6.519；所述苯胺和水的质量比优选为6.519：200。在本发明中，所述硝酸铁溶液的摩尔浓度优选为0.5mol/l；所述聚苯乙烯微球和硝酸铁溶液的用量比优选为0.3g：84ml。
71.在本发明中，所述第二混合优选包括：
72.将所述聚苯乙烯微球和水一级混合，得到一级混合物；
73.将所述一级混合物和苯胺二级混合，得到二级混合物；
74.将所述二级混合物和硝酸铁溶液三级混合。
75.在本发明中，所述一级混合优选在搅拌的条件下；所述搅拌的转速优选为100rpm，时间优选为5h。
76.在本发明中，所述二级混合优选在搅拌的条件下；所述搅拌的转速优选为300rpm，时间优选为5h。
77.本发明对所述三级混合的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的进行即可。
78.在本发明中，所述第二聚合反应的温度优选为室温，时间优选为24h。在本发明中，所述第二聚合反应优选在搅拌的条件下，所述搅拌的转速优选为300rpm。
79.所述第二聚合反应后，本发明还优选包括将得到的微球进行水洗和干燥。在本发明中，所述水洗的次数优选为五次；所述干燥的过程优选为：在40℃下真空干燥48小时。
80.在本发明中，所述聚氨酯聚丙烯酸酯基复合弹性体和改性聚苯乙烯微球的质量比优选为8：2～19：1。
81.在本发明中，所述温度传感层的厚度为50～200μm，进一步优选为80～180μm，更优选为100～150μm。
82.在本发明中，所述第一柔性基底和第二柔性基底的材料独立的优选包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、高密度聚乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物或聚丙烯；厚度独立的优选为10～100μm。
83.在本发明中，所述第一平板电极层、第二平板电极层和叉指电极层的材料独立的优选包括金、铂、银、铜、铝和钛中的一种或几种。在本发明中，所述第一平板电极层和第二平板电极层的厚度独立的优选为0.1～10μm，进一步优选为0.5～9μm；所述叉指电极层的厚度优选为0.1～10μm，进一步优选为0.5～9μm。
84.本发明提供的温度压力双模传感器的结构示意图1所示，其中1为温度传感层，2为叉指电极层，3为第二柔性基底，4为第二平板电极层，5为压力传感层，6为第一平板电极层，
7为第一柔性基底。在本发明中，所述叉指电极层的俯视图如图2所示。
85.本发明还提供了上述技术方案所述温度压力双模传感器的制备方法于，包括以下步骤：
86.在第一柔性基底上制备第一平板电极层，得到第一柔性电极；
87.在第二柔性基底的两侧分别制备第二平板电极层和叉指电极层，得到第二柔性电极；
88.将含有偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、离子液体和第一极性有机溶剂的混合液浇注在模板上，经干燥得到压力传感层；所述模板的表面设置有若干凸起和凹陷；
89.将聚氨酯丙烯酸酯预聚体、低聚物、光引发剂、第二极性有机溶剂和改性聚苯乙烯微球混合，得到树脂混合液；
90.将所述树脂混合液涂覆在所述第二柔性电极的叉指电极层的表面，经固化得到温度传感单元；所述温度传感单元包括层叠设置的温度传感层和第二柔性电极；
91.将所述温度传感单元、压力传感器和第一柔性电极由上到下依次贴合，得到所述温度压力双模传感器。
92.在本发明中，若无特殊说明，所有原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
93.本发明在第一柔性基底上制备第一平板电极层，得到第一柔性电极。
94.本发明对所述第一平板电极层的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行制备即可。
95.本发明在第二柔性基底的两侧分别制备第二平板电极层和叉指电极层，得到第二柔性电极。
96.本发明对所述第二平板电极层和叉指电极层的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法进行制备即可。
97.本发明将含有偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、离子液体和第一极性有机溶剂的混合液浇注在模板上，经干燥得到的压力传感层；所述模板的表面设置有若干凸起和凹陷。
98.在本发明中，所述第一极性有机溶剂优选包括丙酮、乙酸、四氢呋喃或甲酸甲脂。在本发明中，所述氟乙烯-三氟乙烯共聚物和离子液体的质量比优选为8：2；所述氟乙烯-三氟乙烯共聚物和第一极性有机溶剂的用量比优选为5g：20ml。本发明对所述混合液的制备过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。
99.在本发明中，所述模板上单个凸起的高度优选为50～100μm；单个凹陷的深度优选为30～50μm。在本发明中，所述凸起和凹陷的形状独立的优选为圆柱体，所述圆柱体的直径优选为50μm。本发明对所述若干凸起和若干凹陷的排列方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。
100.在本发明中，所述干燥的方式优选为真空干燥。本发明对所述真空干燥的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。
101.所述干燥后，本发明还优选包括将所述模板上的薄膜进行剥离。本发明对所述剥离的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
102.本发明将聚氨酯丙烯酸酯预聚体、低聚物、光引发剂、第二极性有机溶剂和改性聚苯乙烯微球混合，得到树脂混合液。
103.在本发明中，所述低聚物优选为丙烯酸羟乙酯(hea)、丙烯酸月桂酯(la)、丙烯酸
乙氧基乙氧基乙酯(eoeoea)、甲基丙烯酸羟乙酯(hema)、已内脂丙烯酸脂(ca)或2-苯氧基乙基丙烯酸酯(phea)；所述光引发剂优选包括二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(tpo)、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯(tpo-l)或2-二甲氨基-2-苄基-1-[4-(4-吗啉基)苯基]-1-丁酮(iht-pi)；所述第二极性有机溶剂优选包括异丙醇、丙酮、甲醇、四氢呋喃或正丁醇。在本发明中，所述聚氨酯丙烯酸酯预聚体和低聚物的质量比优选为1：1；所述聚氨酯丙烯酸酯预聚体和光引发剂的质量比优选为50：1；所述聚氨酯丙烯酸酯预聚体和第二极性有机溶剂的用量比优选为10g：2ml。在本发明中，所述聚氨酯丙烯酸酯预聚体和改性聚苯乙烯微球的质量比优选为8：2～19：1。
[0104]
在本发明中，所述混合优选在遮光条件下进行。在本发明的具体实施例中，所述混合优选在棕色遮光玻璃瓶中进行。
[0105]
在本发明中，所述混合优选包括：
[0106]
将聚氨酯丙烯酸酯预聚体和低聚物进行预混，然后依次加入光引发剂、第二极性有机溶剂和改性聚苯乙烯微球。
[0107]
得到所述树脂混合液后，本发明将所述树脂混合液涂覆在所述第二柔性电极的叉指电极层的表面，经固化得到温度传感单元；所述温度传感单元包括层叠设置的温度传感层和第二柔性电极。
[0108]
本发明对所述涂覆的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式进行即可。
[0109]
在本发明中，所述固化的方式优选为使用波长为405nm的紫外灯进行辐照固化。
[0110]
得到所述温度传感单元后，本发明将所述温度传感单元、压力传感器和第一柔性电极由上到下依次贴合，得到所述温度压力双模传感器。
[0111]
本发明对所述贴合的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
[0112]
所述贴合后，本发明还优选包括将得到的贴合膜进行封装。在本发明的具体实施例中，所述封装优选采用pi胶带进行封装。
[0113]
本发明还提供了上述技术方案所述的温度压力双模传感器或上述技术方案所述的制备方法制备得到的温度压力双模传感器在电子皮肤或环境监测中的应用。本发明对所述应用的具体实施方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式进行即可。
[0114]
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种高灵敏度柔性温度压力双模解耦和传感器进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0115]
实施例1
[0116]
在厚度为50μm的聚酰亚胺(pi)柔性基底上制备厚度为0.5μm的金平板电极层，得到第一柔性电极；
[0117]
在厚度为50μm的聚酰亚胺(pi)柔性基底的两侧分别制备厚度为0.5μm的金平板电极层和厚度为0.5μm的金叉指电极层，得到第二柔性电极；
[0118]
将5gpvdf-trfe和20ml丙酮混合，溶解充分后加入0.5g1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐，将混合好的溶液浇注在模板(模板的示意图7所示)上，经真空干燥后将薄膜剥离，得到压力传感层(其中，压力传感层的厚度为150μm，凸起的高度为50μm，凹陷的深度
为30μm，圆柱体的直径为50μm)；
[0119]
将20g苯乙烯、0.2g2,2-偶氮二异丁腈、1.8g聚乙烯吡咯烷酮、60.4g乙醇和7.6g去离子水混合，在氮气气氛中以900rpm的转速搅拌1h；然后加热至70℃进行第一聚合反应，保温24小时，经水洗得到聚苯乙烯微球；
[0120]
将0.3g聚苯乙烯微球分散到20ml去离子水中，加入0.6519g苯胺，并在100rpm下搅拌5h；加入84ml0.5mol/l的fe(no3)3水溶液，在室温下以300rpm的转速搅拌24h，进行第二聚合反应，将得到物料用去离子水洗涤五次，并在40℃下真空干燥48h，得到改性聚苯乙烯微球(其中，聚苯乙烯核的粒径为1μm，聚苯胺层的厚度为0.3μm，聚苯乙烯核和聚苯胺层的质量比为7：3)；
[0121]
将10g聚氨酯丙烯酸酯预聚体(pua)和10g丙烯酸羟乙酯(hea)在棕色避光玻璃瓶中预混后，加入0.2g二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(tpo)和2ml异丙醇后，再加入0.53g改性聚苯乙烯微球，得到树脂混合液；
[0122]
将得到的树脂混合液涂覆在所述第二柔性电极的叉指电极层的表面，使用波长为405nm的紫外灯进行辐照固化，得到温度传感单元(其中，温度传感层的厚度为150μm)；
[0123]
将所述温度传感单元、压力传感层和第一柔性电极由上到下依次贴合，使用pi胶带进行封装得到所述温度压力双模传感器；
[0124]
本实施例的工艺流程图如图3所示。
[0125]
实施例2
[0126]
在厚度为50μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)柔性基底上制备厚度为0.5μm的铜平板电极层，得到第一柔性电极；
[0127]
在厚度为50μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)柔性基底的两侧分别制备厚度为0.5μm的铜平板电极层和厚度为0.5μm的铜层叉指电极层，得到第二柔性电极；
[0128]
将5gpvdf-trfe和20ml丙酮混合，溶解充分后加入0.5g1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐，将混合好的溶液浇注在模板(模板的示意图7所示)上，经真空干燥后将薄膜剥离，得到压力传感层(其中，压力传感层的厚度为150μm，凸起的高度为50μm，凹陷的深度为30μm，圆柱体的直径为50μm)；
[0129]
将20g苯乙烯、0.2g2,2-偶氮二异丁腈、1.8g聚乙烯吡咯烷酮、60.4g乙醇和7.6g去离子水混合，在氮气气氛中以900rpm的转速搅拌1h；然后加热至70℃进行第一聚合反应，保温24小时，经水洗得到聚苯乙烯微球；
[0130]
将0.3g聚苯乙烯微球分散到20ml去离子水中，加入0.6519g苯胺，并在100rpm下搅拌5h；加入84ml0.5mol/l的fe(no3)3水溶液，在室温下以300rpm的转速搅拌24h，进行第二聚合反应，将得到物料用去离子水洗涤五次，并在40℃下真空干燥48h，得到改性聚苯乙烯微球(其中，聚苯乙烯核的粒径为1μm，聚苯胺层的厚度为0.3μm，聚苯乙烯核和聚苯胺层的质量比为7：3)；
[0131]
将10g聚氨酯丙烯酸酯预聚体(pua)和10g丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯(eoeoea)在棕色避光玻璃瓶中预混后，加入0.2g二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(tpo)和2ml异丙醇后，再加入0.53g改性聚苯乙烯微球，得到树脂混合液；
[0132]
将得到的树脂混合液涂覆在所述第二柔性电极的叉指电极层的表面，使用波长为405nm的紫外灯进行辐照固化，得到温度传感单元(其中，温度传感层的厚度为150μm)；
[0133]
将所述温度传感单元、压力传感层和第一柔性电极由上到下依次贴合，使用pi胶带进行封装得到所述温度压力双模传感器。
[0134]
性能测试
[0135]
测试例1
[0136]
对实施例1得到的聚苯乙烯微球和改性聚苯乙烯微球进行扫描电镜测试，得到的sem图如图4～5所示，其中图4为聚苯乙烯微球，图5为改性聚苯乙烯微球；
[0137]
从图4～5可以看出，本发明得到的改性聚苯乙烯微球表面包覆有表面呈三维凸起状的聚苯胺层。
[0138]
测试例2
[0139]
对实施例1得到的压力传感层进行扫描电镜测试，得到的sem图如图6所示，从图6可以看出本发明提供的压力传感层的表面具有凸起和凹陷微结构。
[0140]
测试例3
[0141]
对实施例1得到的温度压力双模传感器分别进行温度和压力检测，表征温度-压力传感性能；
[0142]
(1)对温度压力双模传感器进行压力测试，测试条件为：将温度压力双模传感器贴附在平面玻璃板上，在温度压力双模传感器上方施加均匀且垂直于平面玻璃板的恒力，变化恒力的大小，使用lcr表以1khz频率下进行测量，记录温度压力双模传感器的两平板电极之间的电容值变化；
[0143]
得到的压力响应图如图8所示，从图8可以看出：随着施加压力的增加，温度压力双模传感器两平板电极之间的电容均匀的增加，呈线性变化；
[0144]
(2)对温度压力双模传感器进行压力疲劳耐久测试，测试条件为：将温度压力双模传感器贴附在疲劳测试平台上，疲劳测试机重复的在温度压力双模传感器上施加相同大小的压力进行压力疲劳测试；
[0145]
得到的压力疲劳测试响应图如图9～10所示，其中图9为疲劳测试65000s时间内，温度压力双模传感器电容信号的变化，图10为疲劳测试过程中0～200s、19600～19800s、45500～45700s、63500～63700s时间内，温度压力双模传感器电容信号的变化局部放大图，从图9～10可以看出：该温度压力双模传感器在疲劳测试过程中经过了约为30000次的施压，该传感器依然可以准确的响应压力的变化，且在图10中可以看出，在多次施加压力后，该传感器表现出的波形数据与开始时刻的波形数据基本保持一致，表示温度压力双模传感器具有较高的稳定性；
[0146]
(3)对温度压力双模传感器进行温度测试，测试条件为：将温度压力双模传感器贴附至温控加热台上，设置温控加热台变化阶梯温度，在温度压力双模传感器叉指电极两端施加恒定电压，测量温度压力双模传感器叉指电极两端电流变化；
[0147]
得到的温度响应图如图11所示，从图11可以看出：随着温度的升高，温度压力双模传感器叉指电极两端电流值增大；
[0148]
(4)对温度压力双模传感器进行温度压力解耦和测试，测试条件为：在温度压力双模传感器表面放置玻璃片，静止一段时间使传感器温度与玻璃片温度保持一直，玻璃片上放置砝码，由于玻璃片的存在，短时间内温度压力双模传感器不受到温度的变化，只受到砝码带来的压力；此外，使用热风枪以最小风量100℃的温度吹向温度压力双模传感器，使得
温度压力双模传感器产生温升，而由于风量较小，风带来的压力变化可以忽略不计，因此使得温度压力双模传感器只产生温升而无压力变化；另外，使用手指触摸温度压力双模传感器，使得温度压力双模传感器受到温度、压力的激励变化。；
[0149]
其中，只有压力的激励响应图如图12所示，只有温度的激励响应图如图13所示，温度压力双重激励响应图如图14所示，从图12～14可以看出：当温度压力双模传感器只受到压力的激励时，该传感器电容信号随着压力的增加而增加，而电流信号基本保持不变；当温度压力双模传感器只受到温度的激励时，该传感器电流信号随着温度的增加而增加，而电容信号基本保持不变：当受到温度、压力同时激励时，电容与电流信号都发生了增加，表明该传感器的电容信号反映了压力的变化、电流信号反映了温度的变化，且电容信号不受到温度变化的影响、电流信号不受到压力变化的影响。该传感器具有了温度、压力解耦和传感的功能。
[0150]
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

技术特征：
1.一种温度压力双模传感器，其特征在于，由下到上包括依次层叠设置的第一柔性电极、压力传感层、第二柔性电极和温度传感层；所述压力传感层的上表面设置有若干凸起和凹陷；所述第一柔性电极包括第一柔性基底和层叠设置在所述第一柔性基底上表面的第一平板电极层；所述第二柔性电极包括第二平板电极层、层叠设置在所述第二平板电极层上表面的第二柔性基底、以及层叠设置在所述第二柔性基底上表面的叉指电极层；所述压力传感层的材料包括偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物和离子液体；所述温度传感层的材料包括聚氨酯聚丙烯酸酯基复合弹性体和改性聚苯乙烯微球；所述聚氨酯聚丙烯酸酯基复合弹性体具有双网络交联体系；所述改性聚苯乙烯微球包括聚苯乙烯核和包裹在所述聚苯乙烯核表面的聚苯胺层；所述聚苯胺层的外表面具有三维凸起结构。2.根据权利要求1所述的温度压力双模传感器，其特征在于，所述压力传感层中偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物和离子液体的质量比为7：3～10：1。3.根据权利要求1或2所述的温度压力双模传感器，其特征在于，所述压力传感层的厚度为50～200μm。4.根据权利要求3所述的温度压力双模传感器，其特征在于，单个凸起的高度为50～100μm；单个凹陷的深度为30～50μm。5.根据权利要求1所述的温度压力双模传感器，其特征在于，所述聚苯乙烯核和聚苯胺层的质量比为7：3；所述聚氨酯聚丙烯酸酯基复合弹性体和改性聚苯乙烯微球的质量比为8：2～19：1。6.根据权利要求1或5所述的温度压力双模传感器，其特征在于，所述温度传感层的厚度为50～200μm。7.根据权利要求1所述的温度压力双模传感器，其特征在于，所述第一柔性基底和第二柔性基底的材料独立的为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、高密度聚乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物或聚丙烯；厚度独立的为10～100μm。8.根据权利要求1所述的温度压力双模传感器，其特征在于，所述第一平板电极层、第二平板电极层和叉指电极层的材料独立的为金、铂、银、铜、铝和钛中的一种或几种；所述第一平板电极层和第二平板电极层的厚度独立的为0.1～10μm；所述叉指电极层的厚度为0.1～10μm。9.权利要求1～8任一项所述温度压力双模传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在第一柔性基底上制备第一平板电极层，得到第一柔性电极；在第二柔性基底的两侧分别制备第二平板电极层和叉指电极层，得到第二柔性电极；将含有偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、离子液体和第一极性有机溶剂的混合液浇注在模板上，经干燥得到压力传感层；所述模板的表面设置有若干凸起和凹陷；将聚氨酯丙烯酸酯预聚体、低聚物、光引发剂、第二极性有机溶剂和改性聚苯乙烯微球混合，得到树脂混合液；将所述树脂混合液涂覆在所述第二柔性电极的叉指电极层的表面，经固化得到温度传
感单元；所述温度传感单元包括层叠设置的温度传感层和第二柔性电极；将所述温度传感单元、压力传感器和第一柔性电极由上到下依次贴合，得到所述温度压力双模传感器。10.权利要求1～8任一项所述的温度压力双模传感器或权利要求9所述的制备方法制备得到的温度压力双模传感器在电子皮肤或环境监测中的应用。

技术总结
本发明属于柔性传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度柔性温度压力双模解耦和传感器。本发明提供了一种温度压力双模传感器，由下到上包括依次层叠设置的第一柔性电极、压力传感层、第二柔性电极和温度传感层；所述压力传感层的上表面设置有凸起和凹陷；所述压力传感层的材料包括偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物和离子液体；所述温度传感层的材料包括聚氨酯聚丙烯酸酯基复合弹性体和改性聚苯乙烯微球。本发明提供的温度压力双模传感器能够避免温度传感层和湿度传感层发生相互串扰，提高温度压力双模传感器的准确度和精度。传感器的准确度和精度。传感器的准确度和精度。


技术研发人员：李阳 李浩
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/1