[0001] 本发明涉及一种基于碳纳米线圈的高敏感度且可精确解耦的柔性压力/温度传感器的设计方法及其应用，属于功能纳米材料制备技术领域。

[0002] 柔性多功能压力‑温度传感器展现出在可穿戴健康监测、工业流程控制、人机交互等领域极大的应用前景。近年来，许多研究者围绕温度‑压力多功能传感器进行了广泛的研究。尽管如此，在同时检测压力和温度时，所研制出的传感器通常会不可避免的出现信号相互串扰现象。为了克服这一难题，传统研究方法主要采取平面集成或垂直集成的方式，将多个可单独检测压力或温度的传感器集成于同一基底上，实现对压力和温度的可解耦检测。然而，该方法存在着电路布局复杂的问题，不利于后续阵列器件集成。此外，在垂直集成时，传感器的敏感度和低检测限等性能还会发生退化。

[0003] 为了解决电路布局复杂性及性能下降的问题，单一多模态传感器被研究者们广泛采用。例如，基于压电和热电原理，研究者设计了由活性碳材料组成的三明治形状压力温度传感器，展现出较高压力敏感度和较高的塞贝克系数，并表现出可忽略的串扰。类似的，研究者基于MXene材料，也设计出了以电压和电阻为输出信号的压力和温度传感器。尽管如此，该类多功能传感器还存在敏感度较低且引线较多的问题，不利于后续进一步的集成及微弱信号检测领域的应用。相对于常用的碳材料，如石墨烯，金属炔等，碳纳米线圈展现出良好的电导率和机械强度高的特点。此外，碳纳米线圈固有的灵活性和相互缠绕等特性将赋予其更高气敏性能。

[0052] 为了更好地理解本发明，下面结合附图通过具体的实施例来具体说明本发明的技术方案

[0053] 实施例1：制备碳纳米线圈/聚二甲基硅氧烷(CNCs/PDMS)复合材料多孔层[0054] 首先，准备聚二甲基硅氧烷(PDMS)。聚二甲基硅氧烷(购买的Dow Corning Sylgard 184)，按主剂和固化剂质量比为10∶1准备。然后放入真空干燥箱中除去气泡。将一定量的PDMS滴入6×6×0.035cm模具中心，让其自由流淌，最后在烘箱80℃、固化2h。制备得到PDMS薄膜。

[0055] 碳纳米线圈/聚二甲基硅氧烷(CNCs/PDMS)复合材料多孔层的制备。取0.3g PDMS(购买的Dow Corning Sylgard 184)按主剂和固化剂质量比为10∶1准备、10mg CNC和2.1g NaCl在研钵中混合均匀。将复合物转移到4×4×0.2cm的模具中，并在80℃条件下固化2h。将固化后的复合物，在去离子水浸泡10h，超声(除去NaCl)，最后在80℃条件下干燥1h。

[0056] 对实施例(1)中制备的碳纳米线圈/聚二甲基硅氧烷复合材料多孔层进行表征，图2所示，CNCs/PDMS多孔层的断面图像显示了孔径的直径约为50～500nm以及孔径多样性。从图2中也可以发现，CNCs被均匀地封装到PDMS薄膜中。

[0057] 实施例2：制备碳纳米线圈/聚二甲基硅氧烷薄膜的温敏层

[0058] 取0.3g PDMS(购买的Dow Corning Sylgard 184)按主剂和固化剂质量比为10∶1准备和10mg CNC在研钵中混合均匀，在研钵混合均匀；将复合物均匀滴涂在金叉指电极上(聚酰亚胺基底厚度13微米；叉指电极线宽100微米，线距100微米，指长6.3毫米，叉指对数20对)，在80℃条件下固化2h。

[0059] 实施例3：制备基于碳纳米线圈/聚二甲基硅氧烷(CNCs/PDMS)的压力‑温度传感器[0060] 将制备的聚二甲基硅氧烷薄膜切成1×1×0.035㎝的长方体，再涂导电银浆并用铜线引出，作为上层电极，并在80℃条件下固化10min；将制备的CNCs/PDMS多孔层切成1×1㎝的正方形和PDMS薄膜作为中间层；温敏层作为下层电极，上述功能层通过层压法组装，制备出基于碳纳米线圈/聚二甲基硅氧烷(CNCs/PDMS)的压力‑温度传感器；

[0061] 对实施例3中制备得到的基于碳纳米线圈/聚二甲基硅氧烷的压力‑温度传感器展示。图3为器件的实物图，图4为器件的结构示意图。器件结构由5层组成。上层和底层分别为PDMS上的Ag薄膜和PI衬底上的叉指Au电极，作为电信号输出的引线。中间层分别为CNCs/PDMS多孔层、PDMS薄膜和实心CNCs/PDMS薄膜，分别作为电容相关的压力传感单元、介电层和电阻相关的温度传感单元。

[0062] 实施例4：双参数传感器的压力传感性能

[0063] (1)双参数传感器的上下电极与LCR数字电桥相连，将传感器置于桌面，通过步进机与压力计的结合。LCR数字电桥记录电容信号；步进机控制压力计的位置，从而改变力的大小；压力计测量力的变化。

[0064] (2)当压力计与器件无接触时，记录传感器的电容为C0。

[0065] (3)在0～38kPa范围内，每次记录施加的压力，并保持15s，然后卸载压力，保持15s。

[0066] (4)通过记录的压力计算压强，压强P＝F/S。F为压力，S为接触面积1cm2。

[0067] (5)测得的压力响应记录为ΔC/C0，其中C0是无压力时的基线电容，而ΔC是施加压力时相对基线电容的电容变化量。

[0068] 对上述测试结果进行分析，图5是压力传感器在0～38k Pa范围内的动态响应‑恢复曲线，它们在不同压力条件下均表现出稳定的传感特性，且具有较快的响应‑恢复速率。

[0069] 图6是根据压力与电容变化的关系，通过拟合曲线计算了压力传感器的压力灵敏‑1度。灵敏度可分为3个线性区，分别对应0～1.1kPa范围内16.47％kPa ，1.1～22kPa范围内‑1 ‑1
2.79％kPa ，22～38kPa范围内1.22％kPa 。

[0070] 图7是采用200微升移液枪中的一滴水滴在器件表面导致的电容变化，相当于器检测下限为1.5Pa，并表现出可重复的响应。

[0071] 图8是该传感器在5k Pa的重复加载下表现出稳定的压力传感性能，循环1000次没有任何漂移，证实了其在实际应用中的长期稳定性和耐久性。

[0072] 实施例5：双参数传感器的温度传感性能

[0073] (1)双参数传感器底层的温敏层电极与半导体冷热探针台上的探针相连，通过半导体冷热探针台控制温度变化，并采用数据采集器记录电阻信号。

[0074] (2)当温度为20℃时，记录传感器的电阻为R0。

[0075] (3)在20‑80℃范围内，每次升温至目标温度，并保持5min，然后，降温到20℃，继续保持5min。

[0076] (4)分辨率测试方式：器件在37.8℃下跑基线，使其趋于平稳。升温至目标温度37.85℃，达到目标温度保持10s；每次升温0.05℃，依次升温5‑6次；

[0077] (5)测得的电阻响应记录为ΔR/R0，其中R0是20℃时的基线电阻，而ΔR是温度变化时相对基线电阻的电阻变化量。

[0078] 对上述测试结果进行分析，图9给出了传感器在20～80℃温度范围内的动态响应‑恢复曲线，在检测不同温度时表现出初始电阻不变的稳定温度传感行为。

[0079] 图10是根据温度与电阻变化的关系，通过拟合计算传感器的温度灵敏度。在30～‑150℃的温度范围内，灵敏度为37.75％℃ ，有趣的是，当温度传感器工作在60～80℃时，灵‑1
敏度达到3045.9％℃ 。

[0080] 图11是传感器分辨率测试，基于0.05℃梯度的连续温度测试，该传感器可以区分0.05℃的温度变化，并且具有明显的响应，信噪比远超过3。

[0081] 实施例6：双参数传感器的解耦

[0082] (1)双参数传感器的温敏层电极与半导体冷热探针台上的探针相连，上电极和温敏层的电极，与LCR数字电桥相连。半导体冷热探针台控制温度变化。数据采集器记录电阻信号。LCR数字电桥记录电容信号；步进机控制压力计的位置，从而改变力的大小；压力计测量力的变化。

[0083] (2)设定四个恒定压力0kPa、0.2kPa、5.2kPa和64kPa，在每次恒定压力下测试不同温度对电阻的影响。

[0084] (3)设定四个恒定温度20℃、30℃、50℃和70℃，在每次恒定温度下测试不同压力对电容的影响。

[0085] 对上述测试结果进行分析，图12是传感器抗压力干扰性检测，在不同压力下，电阻信号随温度的变化情况，无论有无额外的压力刺激(0、0.2、5.2和64kPa)，不同温度下的电阻变化几乎不变，说明压力变化对温度传感的影响很小。

[0086] 图13是是传感器抗温度干扰性检测，在不同温度下，电容信号随压力的变化情况，可以发现，在温度为20、30、50、70℃的额外加热下，电容对不同压力的变化保持不变。说明电容式压力传感器对温度串扰表现出良好的解耦能力。

[0087] 实施例7：双参数传感器的防误触开关的设计

[0088] (1)准备Arduino Uno控制板、面包板、电阻、LED和公母连接线，电阻的一端都连接到同一个数位脚，电阻的另一端连接到不同的数位脚，以及充当触控开关的传感器。

[0089] 对上述测试结果进行分析，图14a是传感器用于防误触开关的设计电路；图14b、c、d)红光LED在不同外界刺激下的状态，分别对应压力刺激、温度刺激以及压力/温度同时刺激。当在开关上放置一个温度为23.2℃的砝码时(图14b)，LED不发光。当温度为34.5℃的手指接近开关(图14c)时，LED保持关闭。当手指同时对开关施加温度和压力刺激时，LED才会点亮(图14d)。

[0090] 实施例8：双参数传感器不同重量和不同温度的同类型物体识别。

[0091] (1)将双参数传感器固定在大拇指上，温敏层电极与数据采集器相连，上电极和温敏层的电极，与LCR数字电桥相连。数据采集器记录电阻信号。LCR数字电桥记录电容信号；准备温度接近的鹌鹑蛋、鸡蛋和鹅蛋。

[0092] 对上述测试结果进行分析，图15是分别对3个目标物(鹌鹑蛋、鸡蛋、鹅蛋)进行循环抓取时，传感器对外界刺激的动态响应‑恢复曲线。对于每个目标，整个抓取过程可分为4个步骤，手远离目标(Ⅰ)、手靠近目标(Ⅱ)、手捡起目标(Ⅲ)、手放下目标(Ⅳ)。如图所示，温度响应信号可以在接近阶段(Ⅱ)和拾取阶段(Ⅲ)观察到，而压力响应信号只出现在拾取阶段(Ⅲ)，这意味着温度和压力的精确解耦。此外，随着目标物重量的增加，压力响应信号逐渐增强，表明该传感器在识别不同重量的目标物种方面具有潜在的应用价值。

[0093] 实施例9：双参数传感器的不同温度水杯的感知

[0094] 1)将双参数传感器固定桌面上，温敏层电极与数据采集器相连，上电极和温敏层的电极，与LCR数字电桥相连。数据采集器记录电阻信号。LCR数字电桥记录电容信号；准备样品瓶和热水。

[0095] 对上述测试结果进行分析，图16是传感器循环抓取实验过程中对外部激励的动态响应‑恢复曲线。如图所示，将双参数传感器固定在桌子上设置为初始状态(Ⅰ)，在传感器(Ⅱ)上施加空样品瓶时，可以监测到压力响应信号，没有温度感应电阻信号。将热水倒入样品瓶(Ⅲ)后，出现温度响应信号，同时电容变化增大。不断加入额外的热水(Ⅳ)，电容变化进一步增大。随后，移除样品瓶时电阻和电容恢复到的初始状态(Ⅴ)，然后我们将充满冷水的样品瓶放在传感器上(Ⅵ)，只可以观察到压力响应信号。回收充满冷水样品瓶(Ⅶ)时，电容恢复到初始状态，当热样品瓶靠近传感器(Ⅷ)时，出现近似信号，同时出现热辐射效应引起的电阻变化。当热样品瓶远离传感器时，电阻和电容也恢复到初始状态(Ⅸ)。整个测试过程表明，所设计的柔性双参数传感器具有稳定的传感特性，能够精确解耦压力和温度信号。

[0096] 对比例1：不同中间介质层厚度传感器的压力传感特性对比。

[0097] 将实施例1中准备的PDMS，分别倒入长×宽为6×6cm，厚度分别为0.35mm，0.5mm，1mm模具中心，让其自由流淌，最后在烘箱80℃、固化2h。制备得到厚度为0.35mm，0.5mm，1mm PDMS薄膜。PDMS薄膜切成两块1×1的正方形，一块涂导电银浆并用铜线引出，作为上层电极，一块作为介电层。利用实施例3的方法制备不同中间介质层厚度压力‑温度传感器。实施例4中的方法对传感器进行压力测试。

[0098] 图17为其电容值随外界压力的变化，随着外界压力的增大，其电容量的变化幅度增大。特别地，随着介质层厚度的减小，压力传感特性逐渐增强。可以发现，介质厚度为0.5mm的传感器在38k Pa下的电容变化量(75％)高于介质厚度为1mm的传感器(45％)。可能的原因是随着介质层厚度的增加，抗形变能力增强，导致相同压力下电极间距变化量减小。
然而，进一步降低介电层厚度(0.35mm)并不会导致传感性能的显著增强(78％)。需要说明的是，压力传感测试均基于介质厚度为0.35mm时的最优压力传感特性。

[0099] 对比例2：CNCs含量不同所制备的CNCs/PDMS薄膜温敏层对温度响应的影响。

[0100] 调整CNCs的含量，其分别为CNCs∶PDMS＝1∶30，2∶30，1∶10，准备三份0.3g PDMS，分别加入30mg，20mg，10mg CNCs。按照实施例2方法中的成功制备CNCs含量不同的CNCs/PDMS薄膜，同时按照实施例4中的方法对传感器进行温度测试。

[0101] 基于热膨胀效应原理，制备了不同质量比的CNCs/PDMS固体薄膜用于温度传感。从图18中分析可知，当CNCs与PDMS的质量比从30mg、20mg降低到10mg时，在20～70℃的温度范围内，CNCs/PDMS的电阻变化率从321％、622％增加到22359％。分析认为，CNCs含量较低的CNCs/PDMS固体薄膜具有较大的热膨胀系数，导致相同温度刺激下CNCs之间的交联点明显减少，从而形成高电阻状态。

[0102] 对比例3：CNTs/PDMS薄膜的温度性能与CNCs/PDMS薄膜温度性能的对比。

[0103] 调整CNTs的含量，准备三份0.2g PDMS，分别加入17.4mg(8％)，12.8mg(6％)，8.3mg(4％)CNTs。按照实施例2方法中的成功制备CNTs含量不同的CNTs/PDMS薄膜，同时按照实施例4中的方法对传感器进行温度测试。从图19可知，8％ CNTs对应的电阻为6Ω，6％ CNTs对应的电阻为37Ω，4％ CNTs对应的电阻为527Ω，发现CNTs/PDMS在20～70℃(8％、
45％、63％)温度范围内的电阻变化远低于相同电阻范围内的CNCs/PDMS。

[0104] 本发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。