本發(fā)明涉及壓力傳感器與濕度傳感器領域，具體為一種基于mxene的壓力、濕度一體化柔性傳感器的制備方法及應用。

背景技術：

1、隨著柔性電子設備的發(fā)展，柔性傳感器在健康監(jiān)測、運動檢測、電子皮膚和柔性機器人等領域的應用越來越廣泛。傳統(tǒng)的柔性傳感器通常存在集成度低、制備工藝復雜、檢測信號單一等問題，難以滿足日益增長的市場需求。近年來，為了拓寬柔性傳感器的實際應用場景，研究者們選用各種敏感材料，借助各種制備方法（例如3d打印、模板法、靜電紡絲等）開發(fā)出可以檢測多種信號的柔性傳感器。然而，這些柔性傳感器雖然在一定程度上提高了傳感器的集成度，但是卻采用了多種敏感材料和技術，從而使得柔性傳感器的制備流程較為復雜，成本也大大提高。因此，如何能夠使用單一敏感材料制備一個多功能的柔性傳感器是傳感器面臨的重要問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決如何能夠使用單一敏感材料制備一個多功能的柔性傳感器的問題，提供了一種基于mxene的壓力、濕度一體化柔性傳感器的制備方法及應用。

2、本發(fā)明是通過如下技術方案來實現(xiàn)的：一種基于mxene的壓力、濕度一體化柔性傳感器的制備方法，包括如下步驟：

3、1）制備mxene分散液：

4、①在聚四氟乙烯燒杯中，緩慢將1~2?g氟化鋰加入20~25?ml鹽酸中，加入完成后攪拌30?min；

5、②將2?g?max-ti3alc2緩慢加入步驟①的液體產(chǎn)品燒杯中，反應溫度調(diào)至35~40℃，持續(xù)攪拌24~36?h；

6、③將步驟②中獲得的反應液體以3000~4000?rpm的轉(zhuǎn)速離心8~12?min，離心后將上清液倒掉，繼續(xù)向多個離心管的沉淀中分別加入去離子水，使沉淀與去離子水混合均勻，然后將離心管放入大功率超聲機中超聲10~15?min，取出繼續(xù)離心，轉(zhuǎn)速8000~12000?rpm，時間8~12?min，重復幾次，直到離心后倒出的上清液體ph值到5~6；

7、④將殘留上層液體盡量倒出，真空烘箱烘干下層沉淀物后，在離心管中加入乙醇20~40?ml超聲1?h，以8000~12000?rpm的轉(zhuǎn)速離心8~12?min，收集下層沉淀物；

8、⑤向步驟④中離心的沉淀物產(chǎn)品中加入20~25?ml去離子水，搖勻，進行超聲20~30min后，以3000~4000?rpm的轉(zhuǎn)速離心3~5?min，收取黑棕色上層液為mxene分散液；

9、⑥反復進行步驟⑤，收取多次mxene分散液；

10、⑦取mxene分散液約8~10?ml?進行抽濾，后真空干燥，稱量重量，獲得mxene分散液濃度值；所制得的mxene分散液濃度值為4?mg/ml。

11、2）制備電極：

12、使用聚酰亞胺薄膜作為基底材料，通過激光切割得到所需尺寸的基底片；在聚酰亞胺基底片表面覆蓋一層掩膜版，利用磁控濺射技術沉積金薄層，從而形成所需的三個叉指電極；中間的叉指電極用作壓力傳感器的電極，兩側(cè)的叉指電極用作濕度傳感器的電極；

13、3）制備壓力傳感器：

14、①模板和微結(jié)構膜的制造：si晶圓通過紫外激光標記直接圖案化獲得模板，微結(jié)構的相鄰距離為110?μm；之后，產(chǎn)生的硅模具首先使用脫模劑進行表面處理；然后，在硅模具上旋涂pdms，在80°c下固化1小時，形成pdms薄膜，揭下pdms薄膜后獲得帶有微凸起結(jié)構的pdms薄膜；

15、②壓力傳感單元的制造：首先，將帶有微凸起結(jié)構的pdms薄膜用氧等離子體處理1~2?min以提高其親水性；然后將之前制備好的mxene分散液用噴槍噴涂在pdms薄膜上；待晾干后將mxene-pdms薄膜切割成正方形，并與中間的叉指電極進行組裝，從而獲得壓力傳感單元；

16、4）制備濕度傳感單元：首先，對聚酰亞胺襯底上兩側(cè)的叉指電極進行氧等離子體處理以提高其親水性；然后將預先準備好的mxene分散液滴涂在兩側(cè)的叉指電極上，接著在60℃下將樣品干燥1小時，形成濕度傳感單元；

17、5）壓力、濕度一體化柔性傳感器的封裝：通過旋涂pdms獲得厚度約為0.4~0.5?mm的薄膜，然后用激光切割成固定形狀后與步驟3）制得的壓力傳感單元和步驟4）制得的濕度傳感單元進行一體化組裝，獲得壓力、濕度一體化柔性傳感器。

18、本發(fā)明所提供的一種基于mxene的壓力、濕度一體化柔性傳感器的制備方法，首先制備mxene分散液；然后通過激光刻蝕方法制備模版并使用pdms倒模獲得帶有微凸起結(jié)構的pdms薄膜，然后在pdms薄膜上噴涂mxene分散液，待晾干后獲得壓力傳感敏感層（mxene-pdms）；接著，使用磁控濺射的方式制備三個叉指電極，將中間的電極與mxene-pdms進行組裝獲得壓力傳感器；再在另外兩個電極上滴涂mxene分散液并晾干獲得濕度傳感器。該壓力、濕度一體化柔性傳感器具有可同時響應壓力與濕度信號、高靈敏度的特點。

19、優(yōu)選的，步驟3）中的步驟①中，?si晶圓的厚度為500?μm，脫模劑為辛烷基三氯硅烷；pdms的主劑和固化劑的質(zhì)量比為10:1。

20、優(yōu)選的，步驟3）中的步驟②中，將帶有微凸起結(jié)構的pdms薄膜用氧等離子體處理1~2?min，mxene-pdms薄膜切割成正方形，其邊長為5~6?mm。

21、采用上述方法制備的基于mxene的壓力、濕度一體化柔性傳感器在壓力信號和濕度信號檢測的應用，能夠應用于人體關節(jié)處運動狀態(tài)和生理狀態(tài)的檢測，以及應用于電子皮膚、柔性機器人。人體關節(jié)包括手腕、肘部、膝蓋、肩肘，生理狀態(tài)包括肘部彎曲及汗液、手腕彎曲及汗液、頸動脈及頸部汗液；當人體處于運動狀態(tài)時，關節(jié)運動伴隨著人體表面蒸發(fā)出水蒸氣，傳感器中的壓力傳感單元與濕度傳感單元能分別檢測出壓力與濕度信號，這些信號能夠反映人體的運動狀態(tài)以及生理狀態(tài)。

22、上述應用中，壓力傳感的原理為：在傳感單元受到壓力作用時，mxene-pdms薄膜上的微凸起結(jié)構受到擠壓，與底部叉指電極的接觸面積增大，從而導致導電通路增多，電阻變小，即電流增大；通過壓力傳感器電流的變化就能夠反應處器件所受壓力的大??；所制備的基于mxene的壓力、濕度一體化柔性傳感器壓力檢測的靈敏度為1911.75?kpa-1，檢測范圍為0~120?kpa。濕度傳感的原理為：mxene材料上的含氧基團使其與水分子發(fā)生相互作用，當濕度增加時，水分子會進入mxene片層之間從而擴大mxene的層間距，使得其電阻增大，不同的相對濕度會引起不同的電阻變化。

23、與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明所提供的一種基于mxene的壓力、濕度一體化柔性傳感器的制備方法及應用：（1）充分發(fā)揮mxene優(yōu)異的導電性和良好的親水性，利用一種敏感材料和極為簡單的結(jié)構體系實現(xiàn)了壓力傳感器和濕度傳感器的集成，提高了傳感器的便攜性，降低了成本；（2）所制備的壓力傳感單元和濕度傳感單元的傳感機制不同，所以在檢測時不需要考慮信號解耦的問題，大大提升了傳感器檢測的準確性。