本发明属于传感器领域，涉及一种自供能的线性压力传感器及其制备方法，具体是指一种mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器及其制备方法。
背景技术：
1、当前，人工智能和物联网的蓬勃发展凸显了制造便携电子设备实现人机界面的重要性。压力传感器作为最重要的电子器件之一，在信号采集中起着至关重要的作用。专利cn116045795a公开了一种cnt/mxene纳米抽滤薄膜传感器及制备方法，制备的cnt/mxene纳米薄膜传感器可以实时对健康进行监测，然而，该传感器却无法实现自供能且线性度不理想。现有的压力传感器输出信号一般与被测压力呈非线性关系即其传递函数在不同的检测范围内灵敏度不同，导致测量结果不准确。一般而言，线性传递函数可以提高传感器的精度。线性压力传感器是测量压力变化并将其转换为线性输出信号的设备。然而，传统的线性压力传感器通常依赖于外接电源或电池供电，这不仅限制了其使用范围，还增加了维护成本和环境负担。为了解决便携式传感器和物联网的快速发展带来的供电问题，自供能传感器得到了发展，自供能压力传感器的关键是实现机械能-电能的转换，但这也受到非线性传递函数问题的影响。在压力作用下利用膜的离子选择性，可以基本实现传感器输出信号与被测压力之间的线性关系。此外，压力的快速响应时间也在实际应用中占有重要地位。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提出了一种mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器及其制备方法。该传感器制备工艺十分简单且节能环保，并且在实现自供能的同时也有一个较高的精度。
2、为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
3、一种mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器的制备方法，步骤如下：
4、(1)将mxene溶液与cnt溶液混合后，通过真空辅助抽滤法制备mxene/cnt复合膜；
5、(2)将带有预留孔的两个聚四氟乙烯薄膜分别置于mxene/cnt复合膜两侧，形成三明治结构薄膜；
6、(3)三明治结构薄膜被固定于两个硅橡胶腔中，硅橡胶腔的外侧由柔性薄膜密封；
7、(4)向硅橡胶腔内填充电解液；
8、(5)与外部电路连接的ag/agcl电极插入到硅橡胶腔中，制得mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器。
9、上述步骤(1)中mxene溶液是指通过hcl和lif选择性刻蚀前驱体max相获得的，其中，m为过渡族金属，a主要为ⅲ族元素或ⅳ族元素，x为c和n元素中的任意一种或两种组合。
10、上述步骤(1)中mxene/cnt复合膜中cnt的比例为3-9wt％。
11、上述步骤(3)中两个硅橡胶腔界面处可采用硅橡胶密封。
12、进一步，上述步骤(3)中两个硅橡胶腔界面处可采用v-705硅橡胶密封。
13、上述步骤(4)中电解液为氯化钠，氯化钾或氯化镁溶液。
14、上述步骤(4)中电解液浓度为0.01-0.5m。
15、进一步，上述步骤(4)中电解液浓度为0.01-0.3m。
16、在步骤(4)中电解液可通过注射器填充。
17、上述步骤(5)中ag/agcl电极可通过注射器形成的微孔插入硅橡胶腔中，并对ag/agcl电极与微孔空隙处进行密封。
18、上述步骤(5)中ag/agcl电极仅置于电解液中，不与mxene/cnt复合膜直接接触。
19、上述的制备方法制备的mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器。
20、所述mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器包括mxene/cnt复合膜(离子选择性膜)、电解液、聚四氟乙烯薄膜、硅橡胶腔、柔性封装薄膜以及ag/agcl电极，所述mxene/cnt复合膜(离子选择性膜)两侧置分别设置有预留孔的聚四氟乙烯薄膜，形成三明治结构薄膜；所述聚四氟乙烯薄膜外分别设置有硅橡胶腔，硅橡胶腔内填充有电解液，用于浸润mxene/cnt复合膜(离子选择性膜)并提供离子；所述柔性薄膜设置于硅橡胶腔外，用于将所述mxene/cnt复合膜(离子选择性膜)、电解液、聚四氟乙烯薄膜、两个硅橡胶腔密封在柔性薄膜内；所述ag/agcl电极插入至硅橡胶腔中的电解液中，其连接外电路且不与mxene/cnt复合膜(离子选择性膜)直接接触。
21、由于mxene/cnt复合膜表面呈现电负性，会吸引电解液中的阳离子附着在表面，当外界压力施加时，阳离子会穿过复合膜形成电信号，实现压力-电信号的转换，从而实现传感器的自供能。此外，通过调节mxene/cnt的比例，可以调控mxene/cnt复合膜的层间距，进而提高压力-电信号的转换效率(如输出电压、输出电流及响应时间等)可获得更适合阳离子传输的mxene/cnt复合膜。
22、上述压力传感器的电压-压强线性度为0.999，电流-压强线性度为0.990。
23、当压强为6.3kpa时电流的响应时间为51.3ms，当压强为3.3kpa时电压的响应时间70.9ms。
24、本发明产生的有益效果是：
25、(1)本发明选用的mxene是二维材料家族中一员，具有柔韧性好、机械强度高、表面亲水、富含负电荷的末端基团和可改变的表面电荷等特性，mxene膜具有大量的纳米通道且通道间距可调，但其易堆叠的特性阻碍离子扩散。一维cnt具有优异的力学性能、电学性能、导热性能和化学稳定性。通过将mxene与cnt结合可以实现层间距可调、力学性能优异、离子选择性较好等特性。
26、(2)本发明的传感器能够提供高精度的压力测量，并且输出信号与压力变化呈线性关系。压力转化电能所对应的电压与对应压力之间的关系式为：其中ε为电解质溶液的介电常数，η为电解质溶液的粘度，为纳米通道的表面电位，α为通道横截面积，l为纳米通道的长度。一般而言对于给定的电解质溶液和复合膜，这些参数为常数。故可从测试产生的电流i得到相应的压差值δp，此两者之间为线性关系，这使得传感器能够准确反映压力的变化，为各种应用提供可靠的数据支持。由于mxene/cnt复合膜表面的亲水性以及表面负电位比较高，使得此传感器具有极快的反应速度，当受到外界压力(压强为6.3kpa)刺激时，电流的响应时间可低至51.3ms，恢复时间为60.2ms。且当mxene/cnt复合膜中cnt的比例为6wt％时，输入压强-输出电压的线性度为0.999，输入压强-输出电流的线性度为0.990，具有较好的线性关系，有利于压力的高精度测量。
27、(3)本发明的传感器消除了对传统电源的依赖，使得传感器可以在没有电源供应的地方进行长期稳定的测量，特别是在偏远地区或难以提供稳定电源的场合，大大扩展了其应用范围。并且减少了对传统能源的依赖，降低了能源消耗和碳排放，符合节能环保的发展趋势。
1.一种mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
2.根据权利要求1所述的mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中mxene溶液是指通过hcl和lif选择性刻蚀前驱体max相获得的，其中，m为过渡族金属，a主要为ⅲ族元素或ⅳ族元素，x为c和n元素中的任意一种或两种组合。
3.根据权利要求2所述的mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中mxene/cnt复合膜中cnt的比例为3-9 wt%。
4.根据权利要求3所述的mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中电解液为氯化钠，氯化钾或氯化镁溶液。
5.根据权利要求4所述的mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中电解液浓度为0.01-0.5m。
6.根据权利要求5所述的mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中电解液浓度为0.01-0.3m。
7.根据权利要求6所述的mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中ag/agcl电极仅置于电解液中，不与mxene/cnt复合膜直接接触。
8.利用权利要求1-7任一项所述的制备方法制备的mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器。
9.根据权利要求8所述的mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器，其特征在于，所述压力传感器的电压-压强线性度为0.999，电流-压强线性度为0.990。
10.根据权利要求8所述的mxene/cnt复合膜自供能线性压力传感器，其特征在于，当压强为6.3kpa时电流的响应时间为51.3 ms，当压强为3.3 kpa时电压的响应时间70.9 ms。
