【技術實現步驟摘要】
本申請涉及柔性傳感，特別涉及一種壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器及其制備方法。
技術介紹
1、人體皮膚系統的受體由離子導體組成，其信號轉導方式基于離子動力學。大量的溫度感受器和機械感受器分布在真皮中，可以清楚地感知皮膚上的應變和溫度的空間分布。觸覺傳感通過模擬人類皮膚的溫度、濕度、壓力、震動等功能，實現對外部刺激的反應。近年來隨著物聯網的快速發展，柔性觸覺傳感對于可穿戴設備、腦機接口、智慧醫療等諸多前沿技術的發展有著重要意義。
2、具備壓力及溫度一體化感知的傳感結構可以實現電子器件與皮膚、組織之間的協同感知，對于復雜場景下的多參量監測至關重要。例如在傷口愈合方面，具備力學、溫度及化學感知的水凝膠敷料可以建立全方位傷口監測，包括對其應力變化的感知、以及創面溫度、活性氧等參數的把握。通過結構設計實現多參量一體化感知的傳感結構是未來發展的趨勢。
3、利用離子途徑來實現傳感功能可以模擬生物系統的信息處理方式，能夠實現與生命體相似度更高的仿生傳感功能。近年來離電式傳感機制依賴于離子電子界面的雙電層結構，具備高靈敏特性，通過對離子材料的設計可以優化器件的傳感功能。水凝膠材料屬于一類離子材料，可以通過結構設計調節其離子功能；同時，具備較大形變量的柔軟特征，應用于傳感結構可以實現對外界刺激的高靈敏反饋；此外，多種生物聚合物、天然高分子以及合成聚合物均可用作水凝膠的成分，賦予其良好的生物功能性，進而實現多樣化傳感功能。
4、現有技術中基于兩性離子的離子皮膚傳感器系統，選擇溫度響應的n-異丙基丙烯酰胺和葡萄糖響應的
技術實現思路
1、本申請實施例提供一種壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器及其制備方法，基于雙電層理論的離電式傳感及擴散層效應，設計基于光固化水凝膠的柔性傳感結構，通過陣列化電極設計，經陣列模塊采集系統，可以同時監測壓力信號和溫度信號變化。
2、為解決上述技術問題，第一方面，本申請實施例提供了一種壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，包括：多個呈陣列排布的傳感陣列單元；每個傳感陣列單元包括叉指電極以及覆蓋叉指電極表面的水凝膠層；水凝膠層通過光固化方式固定在叉指電極上，水凝膠層與叉指電極表面緊密貼合；叉指電極為采用柔性電路板制備的兩個共平面嵌套式叉指電極；水凝膠層為具備交聯密度差異和高度差異的水凝膠層；水凝膠層包括高交聯密度水凝膠區和低交聯度水凝膠區。
3、在一些示例性實施例中，高交聯密度水凝膠區位于水凝膠層的中心位置，低交聯度水凝膠區圍合在高交聯密度水凝膠區的四周；高交聯密度水凝膠區在受壓過程不發生變形，僅受溫度影響；低交聯度水凝膠區能夠同時受溫度和壓力影響，通過與高交聯密度水凝膠區解耦實現單一的壓力感知。
4、在一些示例性實施例中，水凝膠層具有交聯網絡結構，交聯網絡結構內摻雜離子組分形成離子通路；交聯網絡結構的網絡主體材料包括丙烯酰胺、甲基丙烯酸羥乙酯、丙烯酸、甲基丙烯酸異辛酯、乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、n,n-亞甲基雙丙烯酰胺水凝膠單體中的一種或多種；離子組分為具有可聚合官能團結構的離子液體或陰陽離子聚電解質；所述離子組分包括：乙烯基咪唑類磺酰亞胺鹽、乙烯基咪唑類磷酸鹽、烯丙基咪唑類磺酰亞胺鹽、烯丙基咪唑類磷酸鹽，以及海藻酸鈉、聚苯乙烯磺酸鈉、聚丙烯酸鈉、聚二烯丙基二甲基氯化銨中的一種或多種。
5、在一些示例性實施例中，水凝膠層還包括溶劑和光引發劑；溶劑為去離子水或去離子水與多元醇的摻雜體系；多元醇包括乙二醇、1,3-丙二醇、丙三醇、正丁醇、1,2-丁二醇中的一種或多種；光引發劑包括：苯偶酰類、苯乙酮類、α-羥基酮類、?；⒀趸镱愔械囊环N或多種。
6、在一些示例性實施例中，網絡主體材料與離子組分的質量比為(1～100):1；溶劑與網絡主體材料的質量比為(0.5～10):1；光引發劑與網絡主體材料的質量比為(0～0.5):1。
7、在一些示例性實施例中，傳感陣列單元與陣列模塊采集系統連接，傳感陣列單元經陣列模塊采集系統，進行行列掃描，采集溫度及壓力變化下的陣列圖像信息。
8、在一些示例性實施例中，柔性電路板為單面、雙面或多層電路中的一種；柔性電路板包括柔性基底以及設置在柔性基底上的電極材料；柔性基底包括聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯中的一種；電極材料包括金、鉑、銅、銀中的一種。
9、第二方面，本申請實施例還提供了一種壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器的制備方法，包括以下步驟：首先，提供模具；然后，在模具上形成水凝膠材料層；接下來，采用光固化掩膜版，對水凝膠材料層進行一次光固化；然后，在經過一次光固化處理后的水凝膠材料層上覆蓋叉指電極，并進行二次光固化，得到與叉指電極緊密貼合的具備交聯密度差異和高度差異的水凝膠層；水凝膠層包括高交聯密度水凝膠區和低交聯度水凝膠區；最后，去除模具，得到水凝膠傳感結構。
10、在一些示例性實施例中，高交聯密度水凝膠區位于所述水凝膠層的中心位置，所述低交聯度水凝膠區圍合在所述高交聯密度水凝膠區的四周。
11、在一些示例性實施例中，一次光固化和二次光固化的時間均為0.1min～10min。
12、本申請實施例提供的技術方案至少具有以下優點：
13、本申請實施例提供了一種壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器及其制備方法，該水凝膠陣列傳感器包括：多個呈陣列排布的傳感陣列單元；每個傳感陣列單元包括叉指電極以及覆蓋叉指電極表面的水凝膠層；水凝膠層通過光固化方式固定在叉指電極上，水凝膠層與叉指電極表面緊密貼合；叉指電極為采用柔性電路板制備的兩個共平面嵌套式叉指電極；水凝膠層為具備交聯密度差異和高度差異的水凝膠層；水凝膠層包括高交聯密度水凝膠區和低交聯度水凝膠區。本申請通過離子傳感方式同時實現壓力與溫度感知，采用一種水凝膠材料組分，僅通過結構設計改變就能實現不同區域的感知差異，基于雙電層理論，可以同時監測壓力信號和溫度信號變化，能夠進行陣列化傳感結構設計，實現對溫度及壓力分布的信號采集。
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1.一種壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，所述高交聯密度水凝膠區位于所述水凝膠層的中心位置，所述低交聯度水凝膠區圍合在所述高交聯密度水凝膠區的四周；
3.根據權利要求1所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，所述水凝膠層具有交聯網絡結構，交聯網絡結構內摻雜離子組分形成離子通路；
4.根據權利要求3所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，所述水凝膠層還包括溶劑和光引發劑；
5.根據權利要求4所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，所述網絡主體材料與所述離子組分的質量比為(1～100):1；
6.根據權利要求1所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，所述傳感陣列單元與陣列模塊采集系統連接，傳感陣列單元經陣列模塊采集系統，進行行列掃描，采集溫度及壓力變化下的陣列圖像信息。
7.根據權利要求1所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，所述柔性電路板為單面、雙面或多層電路中的一種；>
8.一種壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
9.根據權利要求8所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器的制備方法，其特征在于，所述高交聯密度水凝膠區位于所述水凝膠層的中心位置，所述低交聯度水凝膠區圍合在所述高交聯密度水凝膠區的四周。
10.根據權利要求8所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器的制備方法，其特征在于，一次光固化和二次光固化的時間均為0.1min～10min。
...【技術特征摘要】
1.一種壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，所述高交聯密度水凝膠區位于所述水凝膠層的中心位置，所述低交聯度水凝膠區圍合在所述高交聯密度水凝膠區的四周；
3.根據權利要求1所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，所述水凝膠層具有交聯網絡結構，交聯網絡結構內摻雜離子組分形成離子通路；
4.根據權利要求3所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，所述水凝膠層還包括溶劑和光引發劑；
5.根據權利要求4所述的壓力溫度一體化水凝膠陣列傳感器，其特征在于，所述網絡主體材料與所述離子組分的質量比為(1～100):1；
6.根據權利要求1所述的壓力溫度一體化水凝膠...
【專利技術屬性】
技術研發人員：程玙，孫洪巖，
申請(專利權)人：中國科學院深圳先進技術研究院，
類型：發明
國別省市：
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