技术领域
[0001] 本发明涉及压力传感器与湿度传感器领域，具体为一种基于MXene的压力、湿度一体化柔性传感器的制备方法及应用。
相关背景技术
[0002] 随着柔性电子设备的发展，柔性传感器在健康监测、运动检测、电子皮肤和柔性机器人等领域的应用越来越广泛。传统的柔性传感器通常存在集成度低、制备工艺复杂、检测信号单一等问题，难以满足日益增长的市场需求。近年来，为了拓宽柔性传感器的实际应用场景，研究者们选用各种敏感材料，借助各种制备方法（例如3D打印、模板法、静电纺丝等）开发出可以检测多种信号的柔性传感器。然而，这些柔性传感器虽然在一定程度上提高了传感器的集成度，但是却采用了多种敏感材料和技术，从而使得柔性传感器的制备流程较为复杂，成本也大大提高。因此，如何能够使用单一敏感材料制备一个多功能的柔性传感器是传感器面临的重要问题。
具体实施方式
[0018] 以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0019] 一种基于MXene的压力、湿度一体化柔性传感器的制备方法，流程如图1所示，包括如下步骤：1）制备MXene分散液：
①在聚四氟乙烯烧杯中，缓慢将1 2 g氟化锂加入20 25 mL盐酸中，加入完成后搅~ ~
拌30 min；
②将2 g MAX‑Ti3AlC2缓慢加入步骤①的液体产品烧杯中，反应温度调至35~40 ℃，持续搅拌24 36 h；
~
③将步骤②中获得的反应液体以3000 4000 rpm的转速离心8 12 min，离心后将~ ~
上清液倒掉，继续向多个离心管的沉淀中分别加入去离子水，使沉淀与去离子水混合均匀，然后将离心管放入大功率超声机中超声10 15 min，取出继续离心，转速8000 12000 rpm，~ ~
时间8 12 min，重复几次，直到离心后倒出的上清液体pH值到5 6；
~ ~
④将残留上层液体尽量倒出，真空烘箱烘干下层沉淀物后，在离心管中加入乙醇
20 40 mL超声1 h，以8000 12000 rpm的转速离心8 12 min，收集下层沉淀物；
~ ~ ~
⑤向步骤④中离心的沉淀物产品中加入20 25 mL去离子水，摇匀，进行超声20 30 ~ ~
min后，以3000 4000 rpm的转速离心3 5 min，收取黑棕色上层液为MXene分散液；
~ ~
⑥反复进行步骤⑤，收取多次MXene分散液；
⑦取MXene分散液约8 10 mL 进行抽滤，后真空干燥，称量重量，获得MXene分散液~
浓度值；所制得的MXene分散液浓度值为4 mg/mL。
[0020] 2）制备电极：使用聚酰亚胺薄膜作为基底材料，通过激光切割得到所需尺寸的基底片；在聚酰亚胺基底片表面覆盖一层掩膜版，利用磁控溅射技术沉积金薄层，从而形成所需的三个叉指电极；中间的叉指电极用作压力传感器的电极，两侧的叉指电极用作湿度传感器的电极；
3）制备压力传感器：
①模板和微结构膜的制造：Si晶圆（厚度为500 µm）通过紫外激光标记直接图案化获得模板，微结构的相邻距离为110 µm；之后，产生的硅模具首先使用脱模剂（辛烷基三氯硅烷）进行表面处理；然后，在硅模具上旋涂PDMS（主剂:固化剂质量比为5:1），在80°C下固化1小时，形成PDMS薄膜，揭下PDMS薄膜后获得带有微凸起结构的PDMS薄膜，截面扫描电镜图如图2所示；
②压力传感单元的制造：首先，将带有微凸起结构的PDMS薄膜用氧等离子体处理1
2 min以提高其亲水性；然后将之前制备好的MXene分散液用喷枪喷涂在PDMS薄膜上；待晾~
干后将MXene‑PDMS薄膜切割成正方形（边长为5‑6 mm），并与中间的叉指电极进行组装，从而获得压力传感单元，图3为用于封装时的PDMS切割示意图；
4）制备湿度传感单元：首先，对聚酰亚胺衬底上两侧的叉指电极进行氧等离子体处理以提高其亲水性；然后将预先准备好的MXene分散液滴涂在两侧的叉指电极上，接着在
60℃下将样品干燥1小时，形成湿度传感单元；
5）压力、湿度一体化柔性传感器的封装：通过旋涂PDMS获得厚度约为0.4 0.5 mm~
的薄膜，然后用激光切割成固定形状后与步骤3）制得的压力传感单元和步骤4）制得的湿度传感单元进行一体化组装，获得压力、湿度一体化柔性传感器，所制得的传感器结构如图4所示。
[0021] 本实施例所制备的基于MXene的压力、湿度一体化柔性传感器在压力信号和湿度信号检测的应用，能够应用于人体关节处运动状态和生理状态的检测，以及应用于电子皮肤、柔性机器人。人体关节包括手腕、肘部、膝盖、肩肘，生理状态包括肘部弯曲及汗液、手腕弯曲及汗液、颈动脉及颈部汗液；当人体处于运动状态时，关节运动伴随着人体表面蒸发出水蒸气，传感器中的压力传感单元与湿度传感单元能分别检测出压力与湿度信号，这些信号能够反映人体的运动状态以及生理状态。
[0022] 上述应用中，压力传感的原理如图5所示，在传感单元受到压力作用时，MXene‑PDMS薄膜上的微凸起结构受到挤压，与底部叉指电极的接触面积增大，从而导致导电通路增多，电阻变小，即电流增大；当去除压力后，微凸起结构恢复到初始状态，随之电阻值和电流值也恢复初始值。通过压力传感器电流的变化就能够反应处器件所受压力的大小；所制‑1备的基于MXene的压力、湿度一体化柔性传感器压力检测的灵敏度为1911.75 kPa ，检测范围为0 120 kPa。湿度传感的原理为：MXene材料上的含氧基团使其与水分子发生相互作用，~
当湿度增加时，水分子会进入MXene片层之间从而扩大MXene的层间距，使得其电阻增大，不同的相对湿度会引起不同的电阻变化。
[0023] 如图6所示，将压力、湿度一体化柔性传感器分别贴附于人体的胳膊肘、手腕和颈动脉处，检测有关身体活动状态的实时信息：（a）胳膊肘处所产生的压力信号（走路状态）；（b）胳膊肘处产生的湿度信号（分别是静止状态、走路状态和跑步状态）；（c）手腕弯曲到不同状态时检测到的压力信号；（d）手腕处产生的湿度信号（分别是静止状态、走路状态和跑步状态）；（e）颈动脉处产生的压力信号（分别是人体静止状态、走路状态和跑步状态）；（f）颈动脉处产生的湿度信号（分别是静止状态、走路状态和跑步状态）。
[0024] 本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
