基于混合响应的柔性电容传感器及其制备方法和应用

1.本发明属于柔性传感器技术领域，特别是一种基于混合响应的柔性电容传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

2.柔性压力传感器具有良好的拉伸性，延展性且结构灵活，已经广泛应用于软体机器人，可穿戴设备，健康监测，人机交互等，被认为是智能传感器中最有前景的元件。目前，压力传感器按照传感机理可分为压阻，电容，压电和摩擦电等各种不同的类型。虽然电容压力传感器具有结构简单和高漂移稳定性的特点，但是他们往往检测范围有限或者在高压下极易饱和。传统的电容传感器通常使用实心绝缘中介层，介电常数低，导致整个传感器不仅灵敏度低而且响应速度缓慢。采用一些低弹性模量的材料比如海绵能增加电容压力传感器的压力检测范围，但是在低压下灵敏度比较低。
3.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于混合响应的柔性电容传感器及其制备方法和应用，通过在中介层引入壳聚糖和第二复合导电溶液处理后的仿丝瓜聚氨酯海绵，大幅提高传感器工作时的介电常数不仅可以实现大小量程检测，且灵敏度大幅提升。
5.本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于混合响应的柔性电容传感器包括依次叠加设置的第一电极层，介电层和第二电极层，其中，所述第一电极层和第二电极层均为柔性电极层，所述介电层为多孔结构的双层拼接弹性体，双层拼接弹性体包括具有第一弹性模量的第一多孔结构弹性体和层叠于第一多孔结构弹性体的第二多孔结构弹性体，所述第二多孔结构弹性体具有不同于第一弹性模量的第二弹性模量。
6.所述的基于混合响应的柔性电容传感器中，第一电极层和/或第二电极层包括浸染了第一复合导电溶液的无尘纸基体，所述第一复合导电溶液为包括多壁碳纳米管和聚氧化乙烯颗粒的石墨烯溶液。
7.所述的基于混合响应的柔性电容传感器中，所述介电层包括聚乙烯发泡棉和浸染了第二复合导电溶液的仿丝瓜聚氨酯海绵，其中第二复合导电溶液还包括多壁碳纳米管和聚氧化乙烯颗粒的石墨烯溶液以及银纳米线溶液。
8.所述的基于混合响应的柔性电容传感器中，所述第一复合导电溶液中，石墨烯溶液和多壁碳纳米管颗粒的质量比为1：0.2，聚氧化乙烯颗粒的质量恒定为0.05g，第二复合导电溶液中，石墨烯溶液、多壁碳纳米管颗粒、银纳米线颗粒质量比为1：0.2：0.2，聚氧化乙烯颗粒质量恒定为0.05g。
9.所述的基于混合响应的柔性电容传感器中，所述第一多孔结构弹性体和/或第二多孔结构弹性体包括聚乙烯发泡棉或仿丝瓜聚氨酯海绵,所述仿丝瓜聚氨酯海绵经由水溶
性壳聚糖溶液浸染。
10.所述的基于混合响应的柔性电容传感器中，所述第一弹性模量大于第二弹性模量至少一个数量级。
11.所述的基于混合响应的柔性电容传感器的制备方法包括以下步骤，
12.将无尘纸在去离子水和无水乙醇中清洗后去除杂质；
13.将导电颗粒和溶液混合搅拌后超声破碎得到第一复合导电溶液；
14.将无尘纸在第一复合导电溶液中浸染后得到导电的无尘纸电极作为第一电极层和第二电极层；
15.将聚乙烯发泡棉和仿丝瓜聚氨酯海绵在去离子水和无水乙醇中清洗后去除杂质；
16.将仿丝瓜聚氨酯海绵进行等离子体冲击后，仿丝瓜聚氨酯海绵用水溶性壳聚糖溶液浸染，使仿丝瓜聚氨酯海绵表面呈现正电荷；
17.将壳聚糖浸染后的仿丝瓜聚氨酯海绵在第二复合导电溶液中浸染；
18.将聚乙烯发泡棉和浸染后的仿丝瓜聚氨酯海绵双层拼接得到介电层；
19.按照第一电极层、介电层、第二电极层的顺序层叠制备得到柔性电容传感器。
20.所述的制备方法中，无尘纸在去离子水和无水乙醇中分别清洗20分钟，仿丝瓜聚氨酯海绵在等离子清洗后在0.2mg/ml的水溶性壳聚糖溶液中浸染。
21.所述的制备方法中，第一复合导电溶液和第二复合导电溶液的搅拌温度均为60
°
，搅拌转速均为1000r/min,搅拌时间均为30min，超声破碎的时间为30min所述的基于混合响应的柔性电容传感器在人机交互、人体运动监测、电子皮肤或者软体机器人领域中的应用。
22.和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的上下电极包括第一复合导电溶液浸染的无尘纸，中介层由多孔聚乙烯发泡棉和等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液处理后的仿丝瓜聚氨酯海绵拼接组成，由于两种海绵弹性模量不同且整体弹性模量较低，在相同的应力下不仅可以发生更大的形变而且可以适用于不同量程的压力检测。为了增加第二复合导电溶液和仿丝瓜聚氨酯海绵的表面相互作用，对其表面分别进行低压等离子清洗和壳聚糖溶液浸染预处理，随后引入传感器混合响应的机理，对仿丝瓜聚氨酯海绵进行第二复合导电溶液的浸染，使其具有导电性，增加介电常数。传感器在实现大小量程的检测的同时灵敏度大幅提升。
附图说明
23.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
24.在附图中：
25.图1是本公开一个实施例提供的一种柔性电容传感器的结构示意图；
26.图2(a)是浸染前100μm尺度下的无尘纸结构sem图；
27.图2(b)是浸染前10μm尺度下的无尘纸结构sem图；
28.图2(c)是浸染后100μm尺度下的无尘纸结构sem图；
29.图2(d)是浸染后10μm尺度下的无尘纸结构sem图；
30.图2(e)是初始状态下的仿丝瓜聚氨酯海绵骨架接触角测量图；
31.图2(f)是低压等离子清洗后仿丝瓜聚氨酯海绵骨架的接触角测量图；
32.图2(g)是初始状态100μm尺度下的仿丝瓜聚氨酯海绵单根骨架的sem图；
33.图2(h)是低压等离子清洗后100μm尺度下的仿丝瓜聚氨酯海绵单根骨架的sem图；
34.图2(i)是等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后100μm尺度下的仿丝瓜聚氨酯海绵骨架sem图；
35.图2(j)是等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后10μm尺度下的仿丝瓜聚氨酯海绵骨架sem图；
36.图3是本公开另一个实施例提供的无尘纸第一复合导电溶液的性能电阻测试图；
37.图4是本公开另一个实施例提供的仿丝瓜聚氨酯海绵第二复合导电溶液的性能电阻测试图；
38.图5是本公开另一个实施例提供的无尘纸电极制作流程示意图；
39.图6是本公开另一个实施例提供的等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后的仿丝瓜聚氨酯海绵制作流程示意图；
40.图7(a)为本公开另一个实施例提供的不同处理的仿丝瓜聚氨酯海绵介电层的柔性电容传感器的电容灵敏度测试结果示意图；
41.图7(b)为本公开另一个实施例提供的在不同载荷下介电层为等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后仿丝瓜聚氨酯海绵和聚乙烯发泡棉的柔性电容传感器的循环稳定性测试图；
42.图7(c)为本公开另一个实施例提供的在5n的载荷下介电层为等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后仿丝瓜聚氨酯海绵和聚乙烯发泡棉的柔性电容传感器的循环稳定性测试图；
43.图8(a)为传感器固定在手指关节进行健康监测结果示意图；
44.图8(b)为传感器固定在手臂时进行健康监测结果示意图；
45.图8(c)为传感器固定在喉结进行健康监测结果示意图。
46.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
47.下面将参照附图1至图8(c)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
48.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利
要求所界定者为准。
49.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
50.为了更好地理解，如图1至图8(c)所示，一种基于混合响应的柔性电容传感器包括依次叠加设置的第一电极层1，介电层和第二电极层4，其中，所述第一电极层1和第二电极层4均为柔性电极层，所述介电层为多孔结构的双层拼接弹性体，双层拼接弹性体包括具有第一弹性模量的第一多孔结构弹性体2和层叠于第一多孔结构弹性体2的第二多孔结构弹性体3，所述第二多孔结构弹性体3具有不同于第一弹性模量的第二弹性模量。
51.所述的基于混合响应的柔性电容传感器的优选实施例中，所述第一电极层1和/或第二电极层4包括浸染了第一复合导电溶液的无尘纸基体，所述第一复合导电溶液为包括多壁碳纳米管和聚氧化乙烯颗粒的石墨烯溶液。
52.传感器介电层包括了聚乙烯发泡棉和浸染了第二复合导电溶液的仿丝瓜聚氨酯海绵，其中第二复合导电溶液还包括银纳米线溶液。所述无尘纸第一复合导电溶液中，石墨烯溶液和多壁碳纳米管颗粒的质量比为1：0.2，聚氧化乙烯颗粒的质量恒定为0.05g。第二复合导电溶液中，石墨烯溶液，多壁碳纳米管颗粒，银纳米线颗粒质量比为1：0.2：0.2，聚氧化乙烯颗粒质量恒定为0.05g所述的基于混合响应的柔性电容传感器的优选实施例中，所述第一多孔结构弹性体2和/或第二多孔结构弹性体3包括聚乙烯发泡棉或仿丝瓜聚氨酯海绵，所述仿丝瓜聚氨酯海绵在等离子清洗后经由水溶性壳聚糖溶液浸染。
53.所述的基于混合响应的柔性电容传感器的优选实施例中，所述第一弹性模量大于第二弹性模量至少一个数量级。
54.一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种柔性电容传感器，包括：
55.第一电极层1和第二电极层4，
56.所述第一电极层1和第二电极层4均包括无尘纸，所述无尘纸上浸染有第一复合导电溶液；
57.所述第一电极层1和第二电极层4之间设置有介电层，
58.所述介电层包括弹性模量不同的第一弹性体和第二弹性体。
59.上述实施例构成了本公开的完整技术方案。现有技术中，虽然采用低弹性模量海绵可以部分解决低压下灵敏度较低的问题，但是低弹性模量海绵在高压下容易饱和。本实施例通过将不同弹性模量的弹性体进行拼接作为介电层，能够实现压力传感时大小量程的检测。在进行压力传感时，当传感器受到压力，虽然第一弹性体和第二弹性体都会同时发生变形，但是由于二者弹性模量的不同，当压力比较小时，弹性模量低的弹性体变形量比较大，引起传感器电容改变，随着压力的增加，弹性模量比较低的弹性体受压变形会达到饱和，而弹性模量高的弹性体则可以继续变形并引起传感器电容的改变，从而使得传感器在进行压力传感时可以实现量程大小的检测。同时对低弹性模量海绵进行等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理，使其具有导电性，大大提高传感器工作时的介电常数，大幅提高灵敏度。
60.另一个实施例中，所述第一弹性体包括弹性模量大于0.49gpa且小于等于0.78gpa的发泡棉。
61.本实施例中，符合以上弹性模量范围的发泡棉包括聚乙烯发泡棉、聚苯发泡棉等，
其中，由于聚乙烯发泡棉具有回弹力度好以及重量轻的特点，尤其是在相同压力下相比第二弹性体可以继续变形，因此本实施例优选聚乙烯发泡棉作为第一弹性体。
62.另一个实施例中，所述第二弹性体包括弹性模量大于等于0.000138gpa且小于等于0.49gpa的海绵。
63.本实施例中，符合以上弹性模量范围的海绵包括各类聚氨酯海绵，其中，由于仿丝瓜聚氨酯海绵的回弹范围最广，容易受压变形且达到饱和状态，因此，本实施例优选仿丝瓜聚氨酯海绵作为第二弹性体。
64.另一个实施例中，所述无尘纸第一复合导电溶液包括石墨烯复合溶液、多壁碳纳米管颗粒和聚氧化乙烯颗粒。
65.另一个实施例中，所述仿丝瓜聚氨酯海绵第二复合导电溶液包括石墨烯复合溶液、多壁碳纳米管颗粒，聚氧化乙烯颗粒和银纳米线溶液。
66.在一个实施例中，一种混合响应的柔性电容传感器包括依次叠加设置的第一电极层1，介电层和第二电极层4；所述的第一电极层1和第二电极层4独立的包括无尘纸基体和浸染在无尘纸基底上的第一复合导电溶液；所述介电层为多孔结构的双层拼接弹性体；所述的无尘纸第一复合导电溶液由石墨烯复合溶液，多壁碳纳米管和聚氧化乙烯颗粒组成。所述的第二复合导电溶液由石墨烯复合溶液，多壁碳纳米管，聚氧化乙烯颗粒和银纳米线组成。优选的，所述弹性体材料包括聚乙烯发泡棉和等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液处理后的仿丝瓜聚氨酯海绵。
67.所述的基于混合响应的柔性电容传感器的制备方法包括以下步骤，
68.将无尘纸在去离子水和无水乙醇中清洗后去除杂质；
69.将导电颗粒和溶液混合搅拌后超声破碎得到第一复合导电溶液；
70.将无尘纸在第一复合导电溶液中浸染后得到导电的无尘纸电极作为第一电极层1和第二电极层4；
71.将聚乙烯发泡棉和仿丝瓜聚氨酯海绵在去离子水和无水乙醇中清洗后去除杂质；
72.将仿丝瓜聚氨酯海绵进行等离子体冲击后，仿丝瓜聚氨酯海绵用水溶性壳聚糖溶液浸染，使仿丝瓜聚氨酯海绵表面呈现正电荷；
73.将壳聚糖浸染后的仿丝瓜聚氨酯海绵在第二复合导电溶液中反复浸染。
74.将聚乙烯发泡棉和浸染后仿丝瓜聚氨酯海绵双层拼接得到介电层；
75.按照第一电极层1，介电层，第二电极层4的顺序层叠制备得到柔性电容传感器。
76.所述的制备方法的优选实施方式中，无尘纸在去离子水和无水乙醇中分别清洗20分钟，仿丝瓜聚氨酯海绵在等离子清洗后在0.2mg/ml的水溶性壳聚糖溶液中浸染。
77.所述的制备方法的优选实施方式中，在所述无尘纸第一复合导电溶液中，石墨烯溶液和多壁碳纳米管颗粒的质量比为1：0.2，聚氧化乙烯颗粒的质量恒定为0.05g，第二复合导电溶液中，石墨烯溶液，多壁碳纳米管颗粒银纳米颗粒的质量比为1：0.2；0.2，聚氧化乙烯颗粒的质量恒定为0.05g.第一复合导电溶液和第二复合导电溶液的搅拌温度均为60
°
，搅拌转速均为1000r/min,搅拌时间均为30min，超声破碎的时间为30min。
78.在一个实施例中，制备方法包括，
79.将无尘纸在去离子水和无水乙醇中清洗后去除杂质；
80.将导电颗粒和溶液混合后磁力搅拌且超声破碎得到无尘纸和第一复合导电溶液；
81.将无尘纸在第一复合导电溶液中浸染后得到导电的无尘纸电极；
82.将聚乙烯发泡棉和仿丝瓜聚氨酯海绵在去离子水和无水乙醇中清洗后去除杂质；
83.将仿丝瓜聚氨酯海绵进行物理处理即低压等离子体冲击，提高表面的润湿性和粗糙度，增加表面与第二复合导电溶液的相互作用；
84.将物理处理后的仿丝瓜聚氨酯海绵进行化学处理，即用水溶性壳聚糖溶液浸染，使海绵表面呈现正电荷，增加其与第二复合导电溶液的相互作用；
85.将聚乙烯发泡棉和等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后仿丝瓜聚氨酯海绵双层拼接得到介电层；
86.按照第一电极，介电层，第二电极的顺序，制备得到所述的柔性电容传感器。所述的制备方法的优选实施方式中，所述的无尘纸基体需要在去离子水和无水乙醇中分别清洗20min；
87.所述的制备方法的优选实施方式中，所述的无尘纸第一复合导电溶液中石墨烯复合溶液和多壁碳纳米管颗粒的质量比为1：0.2，聚氧化乙烯颗粒的质量为恒定为0.05g.
88.所述的制备方法的优选实施方式中，所述的第一复合导电溶液的搅拌温度为60
°
，搅拌转速为1000r/min,搅拌时间为30min，超声破碎的时间为30min；
89.所述的制备方法的优选实施方式中，所述的仿丝瓜聚氨酯海绵的第二复合导电溶液中石墨烯复合溶液，多壁碳纳米管颗粒和银纳米线溶液的质量比为1：0.2：0.2，聚氧化乙烯颗粒的质量为恒定为0.05g.
90.所述的制备方法的优选实施方式中，，所述的第一复合导电溶液的搅拌温度为60
°
，搅拌转速为1000r/min,搅拌时间为30min，超声破碎的时间为30min；
91.所述的制备方法的优选实施方式中，所述的聚乙烯发泡棉和仿丝瓜聚氨酯海绵需要在去离子水和无水乙醇中分别清洗20min；
92.所述的制备方法的优选实施方式中，将清洗后的仿丝瓜聚氨酯海绵置于清洗功率为100w的等离子清洗机中清洗60min；
93.所述的制备方法的优选实施方式中，将清洗后的仿丝瓜聚氨酯海绵置于0.2mg/ml的水溶性壳聚糖溶液中浸染。
94.所述的制备方法的优选实施方式中，将浸染后的仿丝瓜聚氨酯海绵置于第二复合导电溶液中继续浸染。
95.另一个实施例中，本公开还提供一种制备柔性电容传感器的方法，包括如下步骤：
96.s1：将无尘纸裁剪为10x10mm的尺寸，然后如图5所示，将剪裁好的无尘纸依次置于去离子水和无水乙醇中清洗20min，在第一复合导电溶液中浸染10min后挤干，然后置于60
°
的真空干燥箱中干燥1个小时，如此循环操作3-4次，以确保第一复合导电溶液能够完全浸染于无尘纸上，从而获得第一电极层1和第二电极层4；
97.该步骤中，图2(a)至图2(b)分别为浸染前不同尺度(依次为100μm、10μm)的无尘纸结构的sem图，由图2(a)至图2(b)所示，浸染前的无尘纸表面单根纤维表面光滑。图2(c)至图2(d)为浸染后不同尺度(依次为100μm、10μm)的无尘纸结构的sem图，由图2(c)至图2(d)所示，浸染后的无尘纸表面单根纤维上表面粗糙，由此能够证明第一复合导电溶液成功浸染在无尘纸表面。图2(e)至图2(f)是初始状态下的仿丝瓜聚氨酯海绵骨架接触角测量图和低压等离子清洗后仿丝瓜聚氨酯海绵骨架的接触角测量图，接触角从145.7
°
下降到129
°
，
证明海绵表面的润湿性逐渐提高。图2(g)至图2(h)是初始状态100μm尺度下的仿丝瓜聚氨酯海绵单根骨架的sem图和低压等离子清洗后100μm尺度下的仿丝瓜聚氨酯海绵单根骨架的sem图，清洗前海绵表面光滑，清洗后海绵表面存在有等离子冲击后的凹坑和凹槽，表面粗糙度增加。图2(i)至图2(j)是等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后100μm和10μm尺度下的仿丝瓜聚氨酯海绵骨架sem图，可以看出海绵骨架表面有清晰的银纳米线分布，代表第二复合导电溶液成功浸染。
98.s2：将聚乙烯发泡棉和仿丝瓜聚氨酯海绵置于去离子水中超声清洗20min，然后置于无水乙醇中清洗20min，最后置于60
°
真空干燥箱中干燥。
99.需要说明的是，该步骤中的聚乙烯发泡棉和仿丝瓜聚氨酯海绵均从市场采购。
100.s3：将清洗后的仿丝瓜聚氨酯海绵置于清洗功率为100w的等离子清洗机中清洗60min。
101.s4：将清洗后的仿丝瓜聚氨酯海绵置于0.2mg/ml的水溶性壳聚糖溶液中浸染10min后挤干，然后置于60
°
的真空干燥箱中干燥1个小时，如此循环操作3-4次，以确保壳聚糖溶液能够完全浸染于仿丝瓜聚氨酯海绵上。
102.s5：将浸染后的仿丝瓜聚氨酯海绵置于第二复合导电溶液中浸染10min后挤干，然后置于60
°
的真空干燥箱中干燥1个小时，如此循环操作3-4次，以确保第人复合导电溶液能够完全浸染于仿丝瓜聚氨酯海绵上。
103.将干燥后的聚乙烯发泡棉和仿丝瓜聚氨酯海绵用胶带进行拼接，以获得介电层；
104.该步骤中，聚乙烯发泡棉和仿丝瓜聚氨酯海绵的长度以及宽度均为10mm，厚度均为5mm。
105.s6：将第一电极层1、介电层、第二电极层4按顺序贴合，制备得到柔性电容传感器。
106.该步骤中，第一电极层1，介电层和第二电极层4优选通过物理贴合的方式，并用3m胶带固定，制备得到柔性电容传感器。
107.另一个实施例中，步骤s1中，所述无尘纸第一复合导电溶液的制备方法包括如下步骤：将质量比为1:0.2的石墨烯复合溶液和多壁碳纳米管颗粒与0.05g聚氧化乙烯颗粒混合后置于搅拌温度为60℃、搅拌转速为1000r/min的环境中搅拌30min，然后在超声破碎机中破碎30min，以获得第一复合导电溶液。
108.另一个实施例中，步骤s5中，所述仿丝瓜聚氨酯海绵的第二复合导电溶液的制备方法包括如下步骤：将质量比为1:0.2：0.2的石墨烯复合溶液，多壁碳纳米管颗粒和银纳米线溶液与0.05g聚氧化乙烯颗粒混合后置于搅拌温度为60℃、搅拌转速为1000r/min的环境中搅拌30min，然后在超声破碎机中破碎30min，以获得第二复合导电溶液。
109.本实施例中，需要说明的是，石墨烯复合溶液和多壁碳纳米管颗粒采购自美国sigma-aldrich公司，石墨烯复合溶液中的石墨烯的质量分数为0.1％，多壁碳纳米管颗粒中的碳含量超过98％。银纳米线溶液采购自西安伯克利生物技术有限公司，其中溶液中银纳米线含量超过98％，聚氧化乙烯颗粒购于合肥巴斯夫有限公司，其中，聚氧化乙烯的摩尔分子量为300000g/mol。
110.还需要说明的是，在制备无尘纸第一复合导电溶液的过程中，之所以将石墨烯复合溶液，多壁碳纳米管颗粒的质量比设置为1:0.2，以及将聚氧化乙烯颗粒的质量设定为0.05g，如图3所示，是因为采用此比例以及固定质量能够使得第一复合导电溶液的电阻值
较低且测试时稳定性最好。
111.同理，在制备仿丝瓜聚氨酯海绵的第二复合导电溶液的过程中，之所以将石墨烯复合溶液，多壁碳纳米管颗粒和银纳米线溶液的质量比设置为1:0.2：0.2以及将聚氧化乙烯颗粒的质量设定为0.05g，如图4所示，是因为采用此比例以及固定质量能够使得第二复合导电溶液的电阻值较低且测试时稳定性最好。
112.另一个实施例中，本公开还提供一种制备柔性电容传感器的方法，与上一实施例不同的是，本实施例中仅采用聚乙烯发泡棉和第二复合导电溶液浸染的仿丝瓜聚氨酯海绵组成的双层拼接结构作为传感器中介层。
113.另一个实施例中，本公开还提供一种制备柔性电容传感器的方法，与上一实施例不同的是，本实施例中仅采用聚乙烯发泡棉和壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后的仿丝瓜聚氨酯海绵组成的双层拼接结构作为传感器中介层。
114.下面，本公开对上述实施例制备获得的不同处理的介电层的柔性电容传感器的性能通过性能测试装置进行压力电容性能测试。
115.首先，对上述实施例制备获得的柔性电容传感器进行电容灵敏度性能测试，然后对介电层为等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后的仿丝瓜聚氨酯海绵和聚乙烯发泡棉的柔性电容传感器进行不同载荷下的循环稳定性测试和同一载荷下的循环稳定性测试。
116.图7(a)为不同处理介电层的柔性电容传感器的电容灵敏度测试结果。如图7(a)所示，随着对仿丝瓜聚氨酯海绵处理工艺的逐渐增加，传感器的灵敏度在高低量程内也随之增加，以等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后的仿丝瓜聚氨酯海绵为中介层组装的传感器为研究对象，我们发现，在0到250kpa范围内，传感器的灵敏度为0.09111kpa-1,当压力逐渐增加到500-1500kpa范围内,传感器的灵敏度为0.01815kpa-1，当压力增加到3000kpa时，传感器灵敏度为0.00926kpa-1。
117.图7(b)为不同载荷下(分别为1n，5n，10n，25n，50n，100n，150n，200n，250n，300n)介电层为等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后的仿丝瓜聚氨酯海绵和聚乙烯发泡棉的柔性电容传感器的循环稳定性测试图。如图7(b)所示，在同一载荷下对传感器按压多次时，每次按压时传感器的电容变化曲线基本一致，从而证明每次测试时传感器性能均稳定。
118.图7(c)为在5n的载荷下介电层为等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后的仿丝瓜聚氨酯海绵和聚乙烯发泡棉的柔性电容传感器的循环稳定性测试图。如图7(c)所示，在5n的载荷下，经历500次循环的拉压，每次拉压时，传感器的电容变化曲线相似，以此能够证明介电层为仿丝瓜聚氨酯海绵和聚乙烯发泡棉的柔性电容传感器的传感性能稳定。
119.本技术所述的介电层为等离子/壳聚糖/第二复合导电溶液综合处理后的仿丝瓜聚氨酯海绵和聚乙烯发泡棉的柔性电容传感器可用于健康监测。图8(a)显示了传感器固定在手指关节，关节弯曲角度在0
°
，30
°
，60
°
，90
°
时传感器的响应。图8(b)显示了传感器固定在手臂肌肉，肌肉放松收缩时的传感器的响应。图8(c)显示了传感器固定在喉结上，不同声音时喉结振动引起的传感器的响应。
120.所述的基于混合响应的柔性电容传感器在人机交互、人体运动监测、电子皮肤或者软体机器人领域中的应用。
121.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

技术特征：

1.一种基于混合响应的柔性电容传感器，其特征在于，其包括依次叠加设置的第一电极层，介电层和第二电极层，其中，所述第一电极层和第二电极层均为柔性电极层，所述介电层为多孔结构的双层拼接弹性体，双层拼接弹性体包括具有第一弹性模量的第一多孔结构弹性体和层叠于第一多孔结构弹性体的第二多孔结构弹性体，所述第二多孔结构弹性体具有不同于第一弹性模量的第二弹性模量。2.根据权利要求1所述的基于混合响应的柔性电容传感器，其特征在于，优选的，所述第一电极层和/或第二电极层包括浸染了第一复合导电溶液的无尘纸基体，所述第一复合导电溶液为包括多壁碳纳米管和聚氧化乙烯颗粒的石墨烯溶液。3.根据权利要求2所述的基于混合响应的柔性电容传感器，其特征在于，所述介电层包括聚乙烯发泡棉和浸染了第二复合导电溶液的仿丝瓜聚氨酯海绵，其中第二复合导电溶液还包括多壁碳纳米管和聚氧化乙烯颗粒的石墨烯溶液以及银纳米线溶液。4.根据权利要求3所述的基于混合响应的柔性电容传感器，其特征在于，所述第一复合导电溶液中，石墨烯溶液和多壁碳纳米管颗粒的质量比为1∶0.2，聚氧化乙烯颗粒的质量恒定为0.05g，第二复合导电溶液中，石墨烯溶液、多壁碳纳米管颗粒、银纳米线颗粒质量比为1∶0.2∶0.2，聚氧化乙烯颗粒质量恒定为0.05g。5.根据权利要求1所述的基于混合响应的柔性电容传感器，其特征在于，所述第一多孔结构弹性体和/或第二多孔结构弹性体包括聚乙烯发泡棉或仿丝瓜聚氨酯海绵，所述仿丝瓜聚氨酯海绵经由水溶性壳聚糖溶液浸染。6.根据权利要求1所述的基于混合响应的柔性电容传感器，其特征在于，所述第一弹性模量大于第二弹性模量至少一个数量级。7.一种如权利要求1-6中任一项所述的基于混合响应的柔性电容传感器的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤，将无尘纸在去离子水和无水乙醇中清洗后去除杂质；将导电颗粒和溶液混合搅拌后超声破碎得到第一复合导电溶液；将无尘纸在第一复合导电溶液中浸染后得到导电的无尘纸电极作为第一电极层和第二电极层；将聚乙烯发泡棉和仿丝瓜聚氨酯海绵在去离子水和无水乙醇中清洗后去除杂质；将仿丝瓜聚氨酯海绵进行等离子体冲击后，仿丝瓜聚氨酯海绵用水溶性壳聚糖溶液浸染，使仿丝瓜聚氨酯海绵表面呈现正电荷；将壳聚糖浸染后的仿丝瓜聚氨酯海绵在第二复合导电溶液中浸染；将聚乙烯发泡棉和浸染后的仿丝瓜聚氨酯海绵双层拼接得到介电层；按照第一电极层、介电层、第二电极层的顺序层叠制备得到柔性电容传感器。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，无尘纸在去离子水和无水乙醇中分别清洗20分钟，仿丝瓜聚氨酯海绵在等离子清洗后在0.2mg/ml的水溶性壳聚糖溶液中浸染。9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，第一复合导电溶液和第二复合导电溶液的搅拌温度均为60
°
，搅拌转速均为1000r/min，搅拌时间均为30min，超声破碎的时间为30min。10.一种如权利要求1-6中任一项所述的基于混合响应的柔性电容传感器，其特征在于，所述柔性电容传感器在人机交互、人体运动监测、电子皮肤或者软体机器人领域中的应用。

技术总结

本发明公开了一种基于混合响应的柔性电容传感器及其制备方法和应用，基于混合响应的柔性电容传感器包括依次叠加设置的第一电极层，介电层和第二电极层，其中，第一电极层和第二电极层均为柔性电极层，介电层为多孔结构的双层拼接弹性体，双层拼接弹性体包括具有第一弹性模量的第一多孔结构弹性体和层叠于第一多孔结构弹性体的第二多孔结构弹性体，第二多孔结构弹性体具有不同于第一弹性模量的第二弹性模量，弹性模量不同在相同的应力下不仅可以发生更大的形变而且可以适用于不同量程的压力检测。传感器在实现大小量程的检测的同时灵敏度大幅提升。灵敏度大幅提升。灵敏度大幅提升。