CN107271084A - 一种柔性应力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性应力传感器，该柔性应力传感器包括两个传感组件，每个传感组件包括柔性纤维丝以及包覆柔性纤维丝的纳米结构薄膜，所述柔性纤维丝为导电材料或其表面设有导电层，所述纳米结构薄膜为导电材料或半导体材料；所述两个传感组件交叉叠放，其纳米结构薄膜在交叉部位相互接触。本发明还涉及所述柔性应力传感器的制备方法。本发明的柔性应力传感器具有尺寸微小、分辨率高、灵敏度高和制备简单的优点，适合小型化和集成化设备使用，可用于制作检测人体健康的穿戴式设备。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种柔性应力传感器及其制备方法。
背景技术
随着穿戴式电子产品时代的到来，用于实时监控人体健康状态的穿戴式器件越来越受到关注。而在穿戴式器件中，最为关键的柔性应力传感器的相关技术往往掌握在美国、日本和德国等工业发达国家。
国内研究学者们为了打破国外对于高性能柔性应力传感器的技术垄断，不断提出与该领域相关的创新技术，尤其利用尺寸微小的微纳米结构作为传感材料，以提高柔性应力传感器的灵敏度。目前，国内已有部分企业能生产出灵敏度较高的柔性应力传感器，但尽管如此，现有的传感器仍普遍存在尺寸过大、测试分辨率低、制备工艺繁琐、制备条件苛刻、成本高等问题，不利于在普通消费群体中推广应用。
例如，如图1所示，现有的一种柔性应力传感器包括：聚二甲基硅氧烷(PDMS)胶膜1’、柔性基材2’、两个银胶电极3’和纳米结构聚苯胺同轴纤维膜4’。所述纳米结构聚苯胺同轴纤维膜4’固定在柔性基材2’上，两个银胶电极3’平行间隔地设置在纤维膜4’上，PDMS胶膜1’覆盖在纤维膜4’上起保护的作用。所述纳米结构聚苯胺同轴纤维膜4’是表面具有聚苯胺纳米结构的聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维膜4’。该柔性应力传感器的工作原理为：将两个银胶电极3’分别与导线连接，与外部电源、电流表连接形成电路回路，并固定柔性基材2’的两端；通入恒定电压，然后在柔性基材2’底部施加压力，使纤维膜4’发生弯曲形变，则其电阻在这一过程中产生变化，因此可观测到电流的变化，通过绘制曲率-电阻响应曲线，以纤维膜4’的弯曲曲率来表征其所受压力的大小，完成对压力的感应和测量。
上述现有的柔性应力传感器存在以下缺陷：
(1)以整块的纳米结构纤维膜作为电阻应变片，导致传感器尺寸比较大，难以在小型化设备中应用，也不利于对微小压力的探测，且该传感器的电阻变化率不超过0.2％，所接测试电路中电流的变化仅有零点几个微安，存在测试分辨率不足、灵敏度低的问题；
(2)电极需要间隔对称地设置在纳米结构纤维膜的两端，才能保证纤维膜整体能均匀感应压力，但这一方面会导致传感器尺寸比较大，另一方面不利于集成化，若将多个传感器集成化为阵列，并使单个传感器之间实现相互独立、绝缘，则需要设计复杂的电路，进行高难度的电路制作工艺，有可能使传感器阵列整体的柔软性下降，实用性降低；
(3)制备步骤复杂，先要配制PVDF纺丝溶液，再用十至十四千伏的纺丝电压制得PVDF纤维膜，然后配制聚苯胺反应液，将PVDF纤维膜浸泡于聚苯胺反应液中反应，再取出烘干，得到纳米结构聚苯胺同轴纤维膜，最后设置电极和PDMS胶膜，才将传感器组装完成，整个制备过程使用了大量试剂、步骤多、设备多、纺丝条件苛刻，因此该传感器的成本很高。
因此，目前柔性应力传感器的技术发展尚未成熟，仍有很大的改进空间。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种柔性应力传感器，其具有尺寸微小、分辨率高、灵敏度高和制备简单的优点。
本发明采用的技术方案如下：
一种柔性应力传感器，包括两个传感组件，每个传感组件包括柔性纤维丝以及包覆柔性纤维丝的纳米结构薄膜，所述柔性纤维丝为导电材料或其表面设有导电层，所述纳米结构薄膜为导电材料或半导体材料；所述两个传感组件交叉叠放，其纳米结构薄膜在交叉部位相互接触。
本发明的柔性应力传感器的工作原理为：该柔性应力传感器接入外围电路后，电流通过其两个传感组件所形成的交叉结构，当有外部压力作用于该两个传感组件的交叉部位时，两者的纳米结构薄膜之间的接触节点数量和接触面积增加，从而使该柔性应力传感器的电阻减小，因此电路中的电流等参数也发生相应变化，实现将外部压力转化为电信号的过程。
与现有技术相比，本发明所述柔性应力传感器具备以下优点：
(1)利用柔性纤维丝作为柔性基材、纳米结构薄膜作为传感材料，而目前柔性纤维丝的直径可达到微纳米级别，且纳米结构薄膜在柔性纤维丝交叉部位的接触面积为有效检测压力的面积，因此该柔性应力传感器的尺寸可以做得非常小，解决了现有传感器小型化困难的问题，有利于对微小压力的探测，提高检测分辨率和灵敏度。
(2)可直接利用柔性纤维丝作为导线，不需要额外设置导线和电极，进一步有效缩小传感器的尺寸，并有利于集成化，集成化时不需要设计复杂的电路，确保传感器阵列整体的柔软性，同时避免高难度的电路制作工艺，大大降低生产成本。
(3)制备工艺相对简单，制备条件容易实现，纳米结构薄膜可通过低真空热蒸发镀膜等方法即可制备完成，且组装方便，该柔性应力传感器可在空气、常压环境下进行器件封装，能有效降低成本。
(4)尺寸微小、具有优异的柔软性，适合应用于小型化和集成化设备，可检测人体心跳、呼吸、脉搏、颈动脉等生理信号，用于制作检测人体健康的穿戴式设备。
进一步地，所述柔性纤维丝为有机高分子纤维丝、碳纤维丝、纺织纤维丝、金属丝或光导纤维。该柔性纤维丝具备柔韧性，有利于提高传感器的柔软性，还具备拉伸性，便于直接充当传感器的导线，其材料可以为导电材料或绝缘材料，选材范围广，其直径大小视实际所需而定。
进一步地，所述纳米结构薄膜为单质金属、合金和半导体材料中的任意一种或多种的复合，选材范围广。
进一步地，所述纳米结构薄膜是由一维纳米线、纳米棒、纳米管、二维纳米薄片或三维网络纳米结构体所构成的薄膜。该纳米结构薄膜具有疏松性，存在大量的缝隙或孔洞，有利于提高传感器的检测分辨率和灵敏度。
进一步地，所述导电层为单质金属、合金和半导体材料中的任意一种或多种的复合，选材范围广。
进一步地，所述每个传感组件与一根向外延伸的导线连接，所述导线与所述柔性纤维丝连接。
本发明的另一目的在于，提供上述任一项所述的柔性应力传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S10：利用热蒸发镀膜法在柔性纤维丝外制备一层纳米结构薄膜，制得传感组件；
S20：将两个传感组件上下交叉叠放，使两个传感组件的纳米结构薄膜在交叉部位相互接触，制得柔性应力传感器。
所述两个传感组件交叉叠放后可固定在柔性基片如塑料薄膜上，方便组装使用。所述制备方法步骤简单，可根据柔性纤维丝和纳米结构薄膜选用的材料，具体采用合适的工艺制备。
进一步地，所述的步骤S10包括以下步骤：
S11：将柔性纤维丝放置于压强小于或等于200Pa的惰性气氛或惰性气氛为主的气氛中进行清洗处理；
S12：将0.1g～20g的金属或半导体材料放置于热蒸发镀膜仪的蒸发皿内，再把清洗好的柔性纤维丝放置于蒸发皿的上方或下方，使柔性纤维丝与蒸发皿的距离为0.1cm～15cm；
S13：在压强小于或等于200Pa的气氛中，以500℃～1700℃的温度进行热蒸发镀膜1min～180min，在柔性纤维丝表面形成一层纳米结构薄膜，制得传感组件。
采用低真空热蒸发镀膜法制备纳米结构薄膜，仅需使用热蒸发镀膜仪即可完成，步骤简单易控制，沉积速率高，重复性好，使用的试剂少。通过限定气氛压强、原料重量、纤维丝与蒸发皿距离、镀膜温度、时间等工艺参数，能在柔性纤维丝上制备出厚度适中、均匀的纳米结构薄膜，保证传感器的检测分辨率、灵敏度和稳定性等使用效果。
进一步地，所述步骤S13的热蒸发镀膜在惰性气氛或惰性气氛为主的气氛中进行；所述惰性气氛为主的气氛是惰性气体和氧气的混合气体，其中惰性气体与氧气的体积比大于1，所述惰性气体为氮气、氩气和氦气中的任意一种或多种的混合。真空的惰性气氛或惰性气氛为主的气氛能避免生成的纳米结构薄膜受到污染、严重氧化，保证纳米结构薄膜是均匀连续的，同时避免蒸发皿被加热氧化烧毁。
进一步地，所述步骤S10之前还包括步骤S00，所述步骤S00为：利用热蒸发镀膜法或磁控溅射法在柔性纤维丝表面制备一层导电层；所述步骤S10为：利用热蒸发镀膜法在导电层表面制备一层纳米结构薄膜，制得传感组件。若柔性纤维丝为绝缘材料，则先在其表面设置导电层。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为现有的柔性应力传感器的结构示意图；
图2为本发明的柔性应力传感器的结构示意图；
图3为两个传感组件的交叉部位的结构示意图；
图4为碳纤维丝上制备的氧化钨纳米线的SEM图；
图5为碳纤维丝上制备的氧化钨纳米线的XRD图；
图6为本发明的柔性应力传感器的测试电路图；
图7为本发明的柔性应力传感器的受力示意图；
图8为本发明的柔性应力传感器的性能测试结果图；
图9为本发明的柔性应力传感器的响应曲线图。
具体实施方式
实施例1
请同时参阅图2和图3，本实施例提供的柔性应力传感器包括两个传感组件1，每个传感组件1包括柔性纤维丝11以及包覆柔性纤维丝11的纳米结构薄膜13，所述柔性纤维丝11为碳纤维丝，所述纳米结构薄膜13为氧化钨纳米线薄膜。每个传感组件1与一根向外延伸的导线2连接，所述导线2与所述柔性纤维丝11连接。所述两个传感组件1交叉叠放，所述两个传感组件1的纳米结构薄膜13在交叉部位相互接触。
本实施例的柔性纤维丝11为可导电的碳纤维丝，因此其表面不额外设置导电层12。
所述柔性应力传感器的制备方法具体包括以下步骤：
S11：在压强为100Pa的惰性气氛中，将碳纤维丝先后放入酒精和去离子水中进行超声清洗，然后取出碳纤维丝，于110℃下烘干备用；
S12：称取0.7904g钨粉，研磨10min后均匀铺在热蒸发镀膜仪的钨舟内，然后在钨舟的上方安放烘干好的石英衬底，石英衬底与钨舟之间的距离为10mm～30mm，再把清洗烘干好的碳纤维丝放置在石英衬底上；
S13：首先，对腔室进行抽真空，当真空度达到1.0Pa时，通入氩气和氧气，氩气通入流量为50sccm～300sccm，氧气通入流量为0.1sccm～5.0sccm，稳定10min。然后，打开并增大蒸发电流进行加热，使钨舟的温度逐渐升高至预设温度，预设温度的范围为700℃～1700℃，升温过程先快后慢。在预设温度下保温60min后，接着在15min内将蒸发电流减小至0A，并关闭蒸发电源，使样品自然冷却至室温，于是得到覆盖在碳纤维丝表面的氧化钨纳米线薄膜，即所述纳米结构薄膜13，制得所述传感组件1。
所述纳米结构薄膜13由一维纳米线131构成。如图4所示，制得的氧化钨纳米线垂直生长在碳纤维丝表面，长度为0.5μm～2μm，直径为30nm～60nm。如图5所示，制得的氧化钨纳米线的单晶性好，其晶体结构很好地符合单斜晶系W18O49(JCPDS card：no.36-0101)。
S20：将两个传感组件1上下交叉叠放，使其纳米结构薄膜13在交叉部位相互接触，并将所述两个传感组件1放入模具中锁紧，再往模具中倒入1g～5g硅胶，然后在60℃～90℃下烘干成型，制得所述柔性应力传感器。
实施例2
请同时参阅图2和图3，本实施例提供的柔性应力传感器与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：所述柔性纤维丝11的表面设有导电层12，每个传感组件1与一根向外延伸的导线2连接，所述导线2与所述柔性纤维丝11的导电层12连接。
所述柔性应力传感器的制备方法包括以下步骤：
S00：利用热蒸发镀膜法或磁控溅射法在柔性纤维丝11表面制备一层导电层12。
S10：利用热蒸发镀膜法在柔性纤维丝11的导电层12表面制备一层纳米结构薄膜13，制得传感组件1。
S20：将两个传感组件1上下交叉叠放，使两个传感组件1的纳米结构薄膜13在交叉部位相互接触，制得所述柔性应力传感器。
实验例
如图6所示，将实施例1的柔性应力传感器接入测试电路，图6中U表示电源的电压，Rs表示柔性应力传感器的电阻，R表示与柔性应力传感器串联的一个电阻。如图7所示，测试时对柔性应力传感器中两个传感组件的交叉部位施加外力F，使用万用表对串联电阻R两端的电压进行实时监控。
请参考图8，其为本发明的柔性应力传感器的性能测试结果图，图中纵坐标为串联电阻R两端的电压值，当外力F施加到柔性应力传感器上时，Rs电阻发生相应的变化，进而改变电路中的电流，最后表现为串联电阻R两端的电压信号的变化。
请参考图9，其为本发明的柔性应力传感器的响应曲线图，其纵坐标ΔU的表达式如下：
其中，UR为柔性应力传感器受到外力作用后，串联电阻R两端的实时电压；U0为未施加外力到柔性应力传感器时，串联电阻R两端的初始电压。
结合图8和图9可知，当外力在1.6mN～4.8mN范围内时，随着外力的增加，柔性应力传感器的电压信号迅速变化；当外力在4.8mN～12.8mN范围内时，随着外力的增加，柔性应力传感器的电压信号平稳变化；当外力增加到16.0mN时，电压信号变化较小，逐渐趋于平缓，达到饱和状态。
另外，对表面无纳米结构薄膜的纯碳纤维交叉结构进行上述实验测试，测试结果为：在外力增大过程中，串联电阻R两端的电压值几乎没有任何的变化，无法将力学信号转换为电信号输出。
由此可见，在柔性碳纤维丝表面制备疏松的纳米结构后，外部作用力能通过改变纳米结构相互接触的数量，从而改变传感器的电阻，实现力学信号转换成电信号的效果。
目前，本发明所述柔性传感器的最小灵敏度可以达到0.5mN，发展前景广阔，有望可以通过外围电路模块和进一步的工艺优化，实现将灵敏度提高为原来的100倍的效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种柔性应力传感器，其特征在于：包括两个传感组件，每个传感组件包括柔性纤维丝以及包覆柔性纤维丝的纳米结构薄膜，所述柔性纤维丝为导电材料或其表面设有导电层，所述纳米结构薄膜为导电材料或半导体材料；所述两个传感组件交叉叠放，其纳米结构薄膜在交叉部位相互接触。
2.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于：所述柔性纤维丝为有机高分子纤维丝、碳纤维丝、纺织纤维丝、金属丝或光导纤维。
3.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于：所述纳米结构薄膜为单质金属、合金和半导体材料中的任意一种或多种的复合。
4.根据权利要求3所述的柔性应力传感器，其特征在于：所述纳米结构薄膜是由一维纳米线、纳米棒、纳米管、二维纳米薄片或三维网络纳米结构体所构成的薄膜。
5.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于：所述导电层为单质金属、合金和半导体材料中的任意一种或多种的复合。
6.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于：所述每个传感组件与一根向外延伸的导线连接，所述导线与所述柔性纤维丝连接。
7.权利要求1所述的柔性应力传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S10：利用热蒸发镀膜法在柔性纤维丝外制备一层纳米结构薄膜，制得传感组件；
S20：将两个传感组件上下交叉叠放，使两个传感组件的纳米结构薄膜在交叉部位相互接触，制得柔性应力传感器。
8.权利要求7所述的柔性应力传感器的制备方法，其特征在于：所述的步骤S10包括以下步骤：
S11：将柔性纤维丝放置于压强小于或等于200Pa的惰性气氛或惰性气氛为主的气氛中进行清洗处理；
S12：将0.1g～20g的金属或半导体材料放置于热蒸发镀膜仪的蒸发皿内，再把清洗好的柔性纤维丝放置于蒸发皿的上方或下方，使柔性纤维丝与蒸发皿的距离为0.1cm～15cm；
S13：在压强小于或等于200Pa的气氛中，以500℃～1700℃的温度进行热蒸发镀膜1min～180min，在柔性纤维丝表面形成一层纳米结构薄膜，制得传感组件。
9.权利要求8所述的柔性应力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S13的热蒸发镀膜在惰性气氛或惰性气氛为主的气氛中进行；所述惰性气氛为主的气氛是惰性气体和氧气的混合气体，其中惰性气体与氧气的体积比大于1，所述惰性气体为氮气、氩气和氦气中的任意一种或多种的混合。
10.权利要求7所述的柔性应力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S10之前还包括步骤S00，所述步骤S00为：利用热蒸发镀膜法或磁控溅射法在柔性纤维丝表面制备一层导电层；所述步骤S10为：利用热蒸发镀膜法在导电层表面制备一层纳米结构薄膜，制得传感组件。
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