CN102353324A

CN102353324A - 一种柔性半透明应变传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN102353324A
Application number: CN2011102106399A
Authority: CN
Inventors: 周军; 肖旭; 袁龙炎; 钟俊文; 王中林
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: CN102353324B

Abstract

本发明公开了一种柔性半透明应变传感器及其制备方法。传感器的结构为：在柔性聚合物衬底上设置有功能层，功能层是由ZnO和纳米纤维构成的呈网格状的结构，在功能层两边为电极，电极为钛和银电极。在聚二甲基硅氧烷衬底上制备基于氧化锌纳米线/聚苯乙烯纳米纤维杂化结构的耐超高应变半透明拉伸式力学传感器的方法。表征了其在生长氧化锌前后的透射率。本发明可以探测到高达50％的力，并且具有高耐久性、快速响应和高灵敏性。器件同时可以应用在人体快速运动测试中。另外，器件可以通过太阳能电池驱动，这使得器件具备了成为户外自驱动传感器系统的潜在应用。本发明方法简单、价格低廉，变传感器具备半透明、耐高应变、灵敏度高和响应快等特征。

Description

一种柔性半透明应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术，具体涉及一种柔性半透明应变传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，由于当前社会对于便携式的商务电子产品的日益增长的需求，有关透明可拉伸式电子器件的研究已经成为了一个研究热点。可拉伸式电子器件具备了代替可拉伸、可任意变形物体的能力。通过使用可拉伸和柔性材料来代替刚性衬底，目前在光电子、电子机械等领域已经制作出了可拉伸式电子器件。未来，可拉伸式电子器件具备了在很多领域取得重要应用的潜力，在可折叠式传感器、可弯折式显示器、实时监控和医学诊断等方面都有重要的用途。

建筑物、桥梁和其他的基础设施在他们的使用过程中要经常承受像飓风和地震这样的自然灾害。为了避免重大的损失，通过使用应变传感器来实时监控建筑物的状态是很有必要的。一些常见的刚性材料例如超薄硅已经用于制造应变传感器了，但是这些材料无一例外的表现出只能承受很小的应变，当超过这个应变后，应变传感器就面临着损坏的危险。具备超高柔性和拉伸性的应变传感器将会在人体健康监控、高敏感性机器人传感器、智能外科手术手套等领域扮演重要的角色。近几年，基于纳米管/纳米线聚合物结构的柔性或可拉伸性应变传感器已经取得了很大的进展。但是，制作透明的且能耐超高应变的应变传感器依然是个很大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种柔性半透明应变传感器，该传感器具有高耐久性、快速响应和高灵敏性；本发明还提供了该传感器的制备方法。

本发明提供的一种应变传感器，其特征在于，在柔性聚合物衬底上设置有功能层，功能层是由ZnO和纳米纤维构成的呈网格状的结构，在功能层两边为电极，电极为钛和银电极。

上述应变传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步将纳米纤维颗粒或者粉末溶于有机溶剂中，搅拌至溶液澄清，将所得溶液转移到针管中，在固化的PDMS衬底上进行电纺得到纳米纤维；

第2步将浓度为0.005～0.02mol/L氢氧化钾甲醇溶液滴加到浓度为0.02～0.04mol/L的醋酸锌甲醇溶液中，使二者的体积比为3∶1～1.5∶1，同时在60℃～80℃搅拌得到纳米颗粒溶液，将纳米纤维浸泡在纳米颗粒溶液中，使得ZnO纳米颗粒附着在纳米纤维上，得到播种后纳米纤维；

第3步将播种后的纳米纤维浮在碱性混合溶液表面，在60～115℃反应12～20小时即得到ZnO纳米线/纳米纤维杂化结构；

第4步在ZnO纳米线/纳米纤维杂化结构薄膜的两端分别磁控溅射金属电极，并引线和封装，得到应变传感器。

本发明提供了在聚二甲基硅氧烷衬底上制备基于氧化锌纳米线/聚苯乙烯纳米纤维杂化结构的耐超高应变半透明拉伸式力学传感器的方法。表征了其在生长氧化锌前后的透射率。这种新型应变传感器可以探测到高达50％的力，并且具有高耐久性、快速响应和高灵敏性。器件同时可以应用在人体快速运动测试中。另外，器件可以通过太阳能电池驱动，这使得器件具备了成为户外自驱动传感器系统的潜在应用。

本发明方法的技术效果体现在：在柔性聚合物衬底上电纺上柔性纳米纤维并生长氧化锌纳米线以及制备柔性半透明应变传感器的方法简单，所得器件具有高耐久性、快速响应和高灵敏性，可用于精密应变探测和人体运动监控；另外，由于器件具有半透明性，并可以由太阳能电池驱动，未来将可以应用于户外自驱动传感器系统中。

附图说明

图1为本发明提供的柔性半透明应变传感器的结构示意图；

图2为ZnO纳米线/PS纳米纤维杂化结构的SEM图片；

图3为纯的PDMS衬底和整体器件的透射率曲线；

图4为器件在不同拉伸状态下的电流-电压曲线和电流响应曲线；

图5为人体运动监控测试曲线；

图6为器件在太阳能驱动下的电流响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作详细说明。

如图1所示，本发明提供的柔性半透明应变传感器的结构为：在柔性聚合物衬底1上设置有网格状结构的功能层2，在功能层2两边为电极3。

柔性聚合物衬底1为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。功能层2是由ZnO和纳米纤维构成的呈网格状的结构，纳米纤维可以选择聚苯乙烯(PS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚偏二氟乙烯(PVDF)等可以通过电纺法制备的聚合物。电极3为钛和银电极。

本发明提供的制备方法的步骤如下：

1.将纳米纤维溶于有机溶剂中，搅拌至溶液澄清。将所得溶液转移到针管中，在衬底上进行电纺。

当纳米纤维为聚苯乙烯(PS)时，有机溶剂为：二甲基甲酰胺(DMF)和甲苯，每克PS颗粒需要1～2mL DMF和1～2mL甲苯；

当纳米纤维为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)时，有机溶剂为：乙醇，每克PVP粉末需要8～12mL乙醇；

当纳米纤维为聚偏二氟乙烯(PVDF)时，有机溶剂为：二甲基甲酰胺(DMF)溶液和丙酮，每克PVDF粉末需要2～4mL DMF和5～9mL丙酮；

衬底的制作过程：将PDMS和固化剂按照体积比2∶1～20∶1的比例混合，放置在40～120℃恒温烘箱中0.5～2个小时均可固化，固化后将PDMS切割作为衬底。

2.配制0.02～0.04mol/L的醋酸锌甲醇溶液和0.005～0.02mol/L氢氧化钾甲醇溶液，按体积比3∶1～1.5∶1混合，所得溶液需要在60℃～80℃搅拌；醋酸锌甲醇溶液搅拌的同时，将配制好的氢氧化钾甲醇溶液滴加进去，并且搅拌1.5～4个小时；纳米颗粒溶液准备好后，将柔性聚合物衬底浸泡在溶液中，使得ZnO纳米颗粒附着在纳米纤维上，溶液播种即可完成。

3.配制硝酸锌和六亚甲基四胺(HMTA)混合溶液，混合溶液中硝酸锌的浓度为10～30mol/L，六亚甲基四胺(HMTA)的浓度为10～30mol/L，加入氨水来调节PH值至碱性。将柔性聚合物衬底浮在溶液表面，60～115℃反应12～20小时即得到ZnO纳米线/纳米纤维杂化结构。

4.在ZnO纳米线/纳米纤维杂化结构薄膜的两端分别磁控溅射金属电极，并引线和封装，得到柔性半透明应变传感器器件。

下面以实例说明。

实例1：

1.将10mL PDMS和1mL固化剂混合，放置在60℃恒温烘箱中1个小时进行固化。固化后将PDMS切割成1.5cm*0.5cm尺寸备用。

2.将0.7g PS颗粒溶于3mL二甲基甲酰胺(DMF)和甲苯混合溶液(体积比1∶1)中，搅拌3个小时至溶液澄清。将所得溶液转移到针管中采用0.003mm/s的推进速度，将PS均匀纺到PDMS上。

3.配制0.03mol/L的醋酸锌甲醇溶液125mL和0.01mol/L氢氧化钾甲醇溶液65mL，，所得溶液需要在60℃搅拌；醋酸锌甲醇溶液搅拌的同时，将配制好的氢氧化钾甲醇溶液滴加进去，搅拌2个小时；纳米颗粒溶液准备好后，将柔性聚合物衬底浸泡在溶液中，使得ZnO纳米颗粒附着在纳米纤维上。

4.配制32mol/L硝酸锌水溶液50mL和32mol/L六亚甲基四胺(HMTA)水溶液50mL，按体积比1∶1混合并加入氨水来调节PH值至10.9。将柔性聚合物衬底浮在溶液表面，95℃反应14小时即得到ZnO纳米线/纳米纤维杂化结构。

5.在ZnO纳米线/纳米纤维杂化结构薄膜的两端分别磁控溅射钛电极(40nm)，银电极(100nm)，并引线和封装，得到柔性半透明应变传感器器件。

对实例1制备的器件，用扫描电镜(SEM)进行分析，确定纳米纤维上氧化锌纳米线的形貌、物质结构等，并测试了样品的机电响应特性、透射率等。以下结合附图进行说明。

图2所示为ZnO纳米线/PS纳米纤维杂化结构的SEM图片。从图中可以看到，ZnO纳米线缠绕着PS的轴向生长，形成“纳米刷子”结构。

图3所示为单纯的PDMS薄膜4和在PDMS薄膜上合成ZnO纳米线/PS纳米纤维杂化结构5后的透射率曲线。从图中可以看出，在可见光范围内，PDMS薄膜的透光性非常好，而生长完ZnO纳米线/PS纳米纤维杂化结构后，器件具备了半透明性。

图4所示为不同拉伸状态下，应变传感器的电流-电压曲线和在恒定频率外力驱动下的电流-时间相应曲线。从图(a)中可以看到，随着拉力的增加，力学传感器的电流也随之线性减小。图(b)可以看出当器件随着恒定频率外力拉伸和恢复时，电流响应速度非常快，并且可以恢复到原始电流位置。以上结果说明ZnO纳米线/PS纳米纤维杂化结构力学传感器能承受较大的拉力，并且可以用来探测小范围、高灵敏、快速响应力学信号。

图5所示为柔性力学传感器应用于人体运动测试。将力学传感器固定在手指上，手指实现弯曲6和恢复7两个动作，每个动作都持续20s，实时测量电流变化。从图中可以看出在任意状态下，电流基本保持不变。在不同的状态之间变换时，电流迅速变化，并且在相同的状态下，电流基本一致。以上结果说明柔性力学传感器在人体运动监控中具有良好的应用前景，并且可以进而应用到仿真人体皮肤、智能手术手套等领域。

图6描述了在太阳能电池驱动下柔性力学传感器的电流响应。用太阳光作为能源，可以满足当前绿色环保低碳的要求，并且可以用来实现户外自驱动力学传感系统。使用太阳光电池提供能源，恒定频率拉伸状态下，柔性力学传感器表现了出了很好的稳定性，在相同状态下(拉伸或者恢复)电流保持了很好的一致性，并且响应速度依然非常快。

实例2～10：

实例2～10按照实例1相同的流程，采用如下表所示的工艺参数和材料，即可以制备本发明所提供的应变传感器。

*表中浓度单位均为mol/L。

从上述分析可以得出结论，本发明应用在柔性聚合物衬底上合成ZnO纳米线/纳米纤维杂化结构制备的柔性应变传感器，其具有半透明性、高耐久性、快速响应和高灵敏性，可用于精密力学探测、人体运动监控和医疗监控，将在未来户外自驱动传感器系统具有应用前景。任何可以通过电纺合成出来的聚合物和任何可以通过水热法生长的金属、金属氧化物，通过此方法均可以制作出柔性力学传感器。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种应变传感器，其特征在于，在柔性聚合物衬底上设置有功能层，功能层是由ZnO和纳米纤维构成的呈网格状的结构，在功能层两边为电极，电极为钛和银电极。

2.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，柔性聚合物衬底为聚二甲基硅氧烷PDMS。

3.根据权利要求1或2所述的应变传感器，其特征在于，纳米纤维为通过电纺法制备的聚合物。

4.根据权利要求3所述的应变传感器，其特征在于，纳米纤维为聚苯乙烯PS、聚乙烯吡咯烷酮PVP或聚偏二氟乙烯PVDF。

5.一种权利要求1所述应变传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，第1步中，

当纳米纤维为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)时，有机溶剂为乙醇，每克PVP粉末需要8～12mL乙醇；

当纳米纤维为聚偏二氟乙烯(PVDF)时，有机溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)溶液和丙酮，每克PVDF粉末需要2～4mL DMF和5～9mL丙酮。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，碱性混合溶液按照下述方式配制：硝酸锌和六亚甲基四胺混合得到混合溶液，混合溶液中硝酸锌浓度为10～30mol/L，六亚甲基四胺浓度为10～30mol/L，在混合溶液加入氨水来调节PH值至碱性。