CN107565944B - 一种基于应力发光的光控开关组合物 - Google Patents

Abstract

发明属于传感器开关技术领域，公开了一种基于应力发光材料的光控开关组合物，同时含有应力发光复合材料、光敏电阻和控制电路组成，应力发光复合材料在动态外力作用下发射光线；光敏电阻和控制电路经导线链接，接收应力发光的光线引起电阻变化；变化阻值到达控制电路预先设定好的参考值后实现开关功能；该开关包括嵌入式和非嵌入式两种，嵌入式光控开关中光敏电阻直接嵌入到应力发光复合材料中；非嵌入式的光敏电阻和应力发光复合材料通过光导介质连接。本发明中光控开关不依赖于自然光源和传统人造光源，拓展光控开关应用市场的同时，在建筑物环境安全监测、地震预警和无电磁干扰控制电路方面具有广阔的应用前景。

Description

一种基于应力发光的光控开关组合物

技术领域

本发明属于传感器开关技术领域，尤其涉及一种基于应力发光材料的光控开关组合物。

背景技术

光控开关即利用光敏电阻，当遇到光线变化时，电阻会发生改变，从而达到控制电路达到各种目的效果。对于可见光的光控开关，受可见光的亮度的大小所控制和调节电路，一般作为控制街道、家庭、宿舍、铁路、车站、航道、学校及供电部门或其它公共场所照明灯的开关，起到日熄夜亮的作用，以节约用电。对于红外光的光控开关，它利用红外传感器和光敏传感器对红外光的敏感而制成，从而控制电路的开关，可应用于遥控器、光控灯、自动门、自动水龙头、防盗报警、危险区域误入报警和警戒区域侵入报警等控制。然而，虽然目前市场上的光控开关应用广泛，但是大多数光控开关都是采集自然光或者人造光源(通电发光)从光-电的转化而控制电路。所有的光控开关只有在环境光线发生变化情况下才能工作，传统光控开关是跟自然光源和人造光源一起使用，而人造光源以通电的形式产生。因此，在没有电力或没有自然光源情形下，不能产生光线变化的情况下，光控开关就会失去功效。

应力发光材料是发光体受到各种机械力如拉伸、挤压、弯折、摩擦、膨胀和断裂等作用下产生自发光的材料。参看文献：D.F.Peng,B.Chen,F.Wang,Recent Advances inDoped Mechanoluminescent Phosphors,2015,80(8),1209；P.Jha，B.P.Chandra，Surveyofthe literature on mechanoluminescence from 1605to 2013，Luminescence，2014，29，977。本专利设计发明一种基于应力发光材料的光控开关，开关中的应力发光复合材料在动态外力作用下直接发射电磁波光线，光敏电阻接收应力发光的光线引起电阻变化；当变化阻值到达控制电路预先设定好的参考值后实现开关功能。这种光控开关和传统开关不同的是，而不依耐于采集自然光线或通电发光器件的光线；该光控开关组合物灵敏度高、工艺简单、成本低廉、可大量工业化制作，还能实现环境安全的实时监测，既可以实现近距离监测(嵌入式)，又可以实现长距离监测(非嵌入式)，适应性广泛，易于推广。因此，该拓展光控开关应用市场的同时，在建筑物环境安全监测、地震预警和无电磁干扰控制电路方面具有广阔的应用前景。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于应力发光的光控开关组合物。所述的基于应力发光的嵌入式光控开关设置有：应力发光复合材料、光敏电阻、控制电路、反光层、透明硬囊；所述反光层包覆在应力发光层外部，硬囊包裹在所述应力发光层内部，起到保护光敏电阻的作用；光敏电阻包裹在所述硬囊内部，受硬囊保护，控制电路通过导线与所述光敏电阻相连接。

进一步的，本发明提供一种所述基于应力发光的嵌入式光控开关组合物的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

所述应力发光材料复合层为有机聚合物和应力发光材料复合体，将有机聚合物和高分子材料较佳的如二甲基硅氧烷的原液和固化剂和稀释剂按任意质量比均匀混合；将混合后的二甲基硅氧烷混合液与应力发光粉按任意质量比混合作为应力发光层；将应力发光粉与二甲基硅氧烷混合溶液加入模具中；放入包裹已连接导线的光敏电阻的透明硬囊，放入烘箱固化或自然固化；再在应力发光层外部包裹一层反射层；最后将导线的另一端与控制电路相连，完成嵌入式光控开关。

具体的：

(1)将有机聚合物和高分子材料较佳的如二甲基硅氧烷的原液和固化剂和稀释剂按一定的质量比均匀混合；

(2)将混合后的二甲基硅氧烷与应力发光粉较佳的如ZnS:Mn,ZnS:Cu SrAl₂O₄:Eu和LiNbO₃:Pr中的一种或多种组合，但不限于其中，按一定的质量比混合作为应力发光层；将应力发光粉与二甲基硅氧烷混合溶液加入模具中；

(3)放入包裹已连接导线的光敏电的透明硬囊，较佳的，透明硬囊为有机玻璃或者无机玻璃，塑料的一种或多种但不限于其中，放入热源中，以一定温度即可固化，可选择性的，在自然环境中固化；

(4)再在应力发光层外部包裹一层反射层；较佳的，反射层为银、铝金碳材料镀膜中的一种或多种，但不限于其中，属最后将导线的另一端与控制电路相连，完成嵌入式光控开关。

本发明另一目的在于提供一种所述基于应力发光的非嵌入式光控开关组合物，所述基于应力发光材料的非嵌入式光控开关组合物设置有：反光层涂覆或贴附在应力发光层上表面，光导介质与应力发光层发光面相对；光导介质下放置一个或多个光敏电阻组成的阵列，受光面朝向光导介质，控制电路通过导线与光敏电阻相连接。

进一步，所述非嵌入式光控开关组合物中应力发光复合体的制作过程和嵌入式光控开关一致。

进一步的，所述非嵌入式光控开关组合物还包括以下步骤：

在应力发光层上部贴一层反光层，以便于反射应力发光材料发出的光线形成出光面；将一个或多个光敏电阻所组成的阵列安置在出光面，导线链接光敏电阻与控制电路，形成一个整体。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述光控开关组合物用于建筑物安全实时监测系统。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述光控开关组合物用于物体的损伤探测系统。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述光控开关组合物用于地震和火山监测系统。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述光控开关组合物的柔性电子器件。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述光控开关组合物的系统电路的控制开关。

本发明利用应力发光材料的按压、压缩、拉伸、弯曲、荷重、震荡、切割、剥离、碾磨、刮擦、挤压、冲击发光、有机聚合物、光导介质、光敏电阻和控制电路制作出的基于应力发光的光控开关组合物，应力发光复合材料在动态外力作用下发射光线；光敏电阻和控制电路经导线链接，接收应力发光的光线引起电阻变化；变化阻值到达控制电路预先设定好的参考值后实现开关功能。该光控开关不依赖于自然光源和传统人造光源，拓展光控开关应用市场的同时，在建筑物环境安全监测、地震预警和无电磁干扰控制电路方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于应力发光的嵌入式光控开关结构示组合物意图，如图所示：1、反光层；2、应力发光层；3、硬囊；4、光敏电阻；5、控制电路(单片机)。

图2是本发明实施例提供的基于应力发光材料的非嵌入式光控开关组合物结构示意图，该光控开关组合物由短导线链接，各部件组合到一起，属于近距离检测型。结构如图所示：1、反光层；2、应力发光层；3、透光介质(玻璃板)；4、光敏电阻；5、控制电路(单片机)；6、导线

图3是本发明实施例提供的基于应力发光材料的非嵌入式光控开关结构示意图，应力发光复合物和光敏电阻近距离组合，与控制电路由长导线链接，属于长距离检测型。如图所示：1、反光层；2、应力发光层；3、透光介质(玻璃板)；4、光敏电阻；5、控制电路(单片机)；6、导线

图4是本发明实施例提供的基于应力发光材料的非嵌入式光控开关结构示意图，应力发光复合物和光敏电阻远距离组合，与控制电路由长光纤线链接，属于长距离检测型，1、反光层；2、应力发光层；3、透光介质(玻璃板)；4、光敏电阻；5、控制电路(单片机)；6、光纤。

图5是本发明实施例提供的光敏电阻的开关特性图；在压力作用下发光导致的电阻开关变化特征。

如图6所示，控制电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于应力发光的嵌入式光控开关包括：1、反光层；2、应力发光层；3、硬囊；4、光敏电阻；5、控制电路(单片机)。

反光层1涂覆或包裹在应力发光层2外部，硬囊3包裹在应力发光层2内部，光敏电阻4包裹在硬囊3内部，控制电路5通过导线与光敏电阻4相连接。

应力发光层2为应力发光材料与有机聚合物和高分子材料按一定比例混合后待固化形成的各种几何体形状(如圆柱形)。

如图2所示，本发明实施例提供的基于应力发光材料的非嵌入式光控开关包括：1、反光层；2、应力发光层；3、透光介质(玻璃板)；4、光敏电阻；5、控制电路(单片机)；6、导线。

反光层1涂覆或贴附在应力发光层2上表面，透光介质玻璃板3与应力发光层2下表面直接接触，玻璃板3下放置一个或多个光敏电阻4组成的阵列，其受光面朝向玻璃板3，控制电路5通过导线6与光敏电阻4相连接。

应力发光层2为应力发光材料与有机聚合物和高分子材料按一定比例混合后待固化形成的各种厚度的薄膜。

如图3所示，本发明实施例提供的基于应力发光材料的非嵌入式光控开关结构示意图，应力发光复合物和光敏电阻近距离组合，与控制电路由长导线链接，属于长距离检测型。如图所示：1、反光层；2、应力发光层；3、透光介质(玻璃板)；4、光敏电阻；5、控制电路(单片机)；6、导线

反光层1涂覆或贴附在应力发光层2上表面，透光介质玻璃板3与应力发光层2下表面直接接触，玻璃板3下放置一个或多个光敏电阻4组成的阵列，其受光面朝向玻璃板3，控制电路5通过长导线6与光敏电阻4相连接。

应力发光层2为应力发光材料与有机聚合物和高分子材料按一定比例混合后待固化形成的各种厚度的薄膜。

如图4所示，本发明实施例提供的基于应力发光材料的非嵌入式光控开关结构示意图，应力发光复合物和光敏电阻近距离组合，与控制电路由长导线链接，属于长距离检测型。如图所示：1、反光层；2、应力发光层；3、透光介质(玻璃板)；4、光敏电阻；5、控制电路(单片机)；6、光纤

反光层1涂覆或贴附在应力发光层2上表面，透光介质玻璃板3与应力发光层2下表面直接接触，玻璃板3下放置一个或多个光敏电阻4组成的阵列，其受光面朝向玻璃板3，控制电路5通过长光纤6与光敏电阻4相连接。

应力发光层2为应力发光材料与有机聚合物和高分子材料按一定比例混合后待固化形成的各种厚度的薄膜。

如图5所示，光敏电阻4的开关特性图，当对应力发光层施加一定机械力时，光敏电阻周围的光纤发生变化，光敏电阻的阻值发生变化，实现开关作用。

如图6所示，控制电路原理图，控制电路可根据不同场合设置不同功能。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图1所示的基于应力发光的嵌入式光控开关，包括应力发光层2，涂覆或包裹在应力发光层2外部的反光层1，包裹在应力发光层2内部的硬囊3，包裹在硬囊3内部的光敏电阻4，通过导线与光敏电阻4相连接的控制电路5。

本发明实施例提供的基于应力发光的嵌入式光控开关的制备方法包括：首先将有机聚合物高分子材料PDMS(二甲基硅氧烷)的原液和固化剂和稀释剂按10：1的质量比均匀混合。然后将混合后的PDMS与应力发光粉ZnS:Mn按1：2的质量比均匀混合而成，作为应力发光层2。将应力发光粉与PDMS混合溶液加入模具(如圆柱形模具)中。再往里面放入包裹已连接导线的光敏电阻4的硬囊3，所述光敏电阻4为龙信达公司的LXD/GB3-A1DPL环保型光敏电阻，暗电阻可达到400MΩ，在接受到由应力发光层2所发出光信号后亮电阻降到16-20MΩ。然后将它们放入烘箱，以80摄氏度烘12小时即可固化。再在应力发光层外部包裹一层反射层1(如铝箔)。最后将导线的另一端与控制电路5相连，即可完成嵌入式光控开关。

如图3所示的基于应力发光的非嵌入式光控开关，包括应力发光层2，涂覆或包裹在应力发光层2外部的反光层1，与应力发光层2下表面直接接触的透光介质玻璃板3，放置在透光介质玻璃板3下的一个或多个光敏电阻4组成的阵列，通过长导线6与光敏电4阻相连接的控制电路5。

本发明实施例提供的基于应力发光的非嵌入式光控开关的制备方法包括：首先将有机聚合物和高分子材料PDMS(二甲基硅氧烷)的原液和固化剂和稀释剂按10：1的质量比均匀混合。然后将混合后的PDMS与应力发光粉ZnS:Mn按1：2的质量比均匀混合而成，作为应力发光层2。将应力发光粉与PDMS混合溶液倒入培养皿(或其他可形成薄膜的容器)中，将培养皿放在旋转台上旋转，将溶液均匀分布在培养皿底部即可停止。然后将它们放入烘箱，以80摄氏度烘12小时即可固化。再在应力发光层上部贴一层反射层1(如铝箔)，且在其底部放置一块透光性良好的透光介质玻璃板3。然后将一个或多个光敏电阻4所组成的阵列放在透光介质玻璃板下，其受光面朝向透光介质玻璃板。最后将长导线的另一端与控制电路5相连，即可完成非嵌入式光控开关。

如图4所示的基于应力发光的非嵌入式光控开关，包括应力发光层2，涂覆或包裹在应力发光层2外部的反光层1，与应力发光层2下表面直接接触的透光介质玻璃板3，放置在透光介质玻璃板3下的一个或多个光敏电阻4组成的阵列，收集应力发光的长光纤6，通过长光纤6与光敏电4阻相连接的控制电路5。

本发明实施例提供的基于应力发光的非嵌入式光控开关的制备方法包括：首先将有机聚合物和高分子材料PDMS(二甲基硅氧烷)的原液和固化剂和稀释剂按10：1的质量比均匀混合。然后将混合后的PDMS与应力发光粉ZnS:Mn按1：2的质量比均匀混合而成，作为应力发光层2。将应力发光粉与PDMS混合溶液倒入培养皿(或其他可形成薄膜的容器)中，将培养皿放在旋转台上旋转，将溶液均匀分布在培养皿底部即可停止。然后将它们放入烘箱，以80摄氏度烘12小时即可固化。再在应力发光层上部贴一层反射层1(如铝箔)，且在其底部放置一块透光性良好的透光介质玻璃板3。然后将一个或多个光敏电阻4所组成的阵列放在透光介质玻璃板下，其受光面朝向透光介质玻璃板。最后将长光纤的另一端与控制电路5相连，即可完成非嵌入式光控开关。

如图5所示，光敏电阻4的开关特性图，在暗环境下，光敏电阻4的电阻为400MΩ左右，当对应力发光层施加一定机械力时，光敏电阻4的电阻降到16-20MΩ。

如图6所示的控制电路原理图，控制电路可根据不同场合设置不同功能。本发明采用自行设计的5CM×5CM尺寸的单片机作为控制电路5，主要包括：芯片，稳压管，蜂鸣器，晶振，排针，led，电源，复位电路。它可的组合以实现的功能为，当在动态应力作用下应力发光复合层发光，触发光敏电阻，单片机上的LED亮，蜂鸣器响。本发明中的光控开关组合物，中采用的控制电路系统包括可以是普通市售光控开光的电路系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于应力发光材料的光控开关，其特征在于，所述的光控开关同时含有应力发光复合材料、光敏电阻和控制电路，应力发光复合材料在动态外力作用下发射光线；光敏电阻和控制电路经导线连接，接收应力发光的光线引起电阻变化；变化阻值到达控制电路预先设定好的参考值后实现开关功能；

基于应力发光材料的光控开关包括嵌入式和非嵌入式两种，嵌入式光控开关的光敏电阻直接嵌入到应力发光复合材料中；非嵌入式的光敏电阻和应力发光复合材料通过透光介质或导光光纤连接；

所述的嵌入式光控开关中，其制备方法在于包括以下步骤：将有机聚合物和高分子材料较佳的二甲基硅氧烷的原液和固化剂和稀释剂按一定质量比均匀混合；将混合后的二甲基硅氧烷混合液与应力发光粉按一定质量比混合作为应力发光层；将应力发光粉与二甲基硅氧烷混合溶液加入模具中；放入包裹已连接导线的光敏电阻的透明硬囊，放入烘箱固化或自然固化；再在应力发光层外部包裹一层反射层；最后将导线的另一端与控制电路相连，完成嵌入式光控开关；

所述的基于应力发光材料的非嵌入式光控开关，其制备方法在于包括以下步骤：将有机聚合物材料二甲基硅氧烷的原液和固化剂和稀释剂按一定质量混合；混合后的二甲基硅氧烷与应力发光粉按任意质量比混合作为应力发光层；将应力发光粉与二甲基硅氧烷混合溶液快速旋转搅拌均匀，混合匀液倒入定型磨具中定型，加热或自然温度固化；固化后在应力发光层上部贴一层反光层，反光面朝向透光介质；将一个或多个光敏电阻所组成的阵列和透光介质相对封装，受光面朝向透光介质；将导线的另一端与控制电路相连，完成非嵌入式光控开关。

2.一种如权利要求1所述基于应力发光材料的光控开关，应力发光复合材料中含有应力发光材料和聚合物材料，应力发光材料含弹性应力发光材料包括：ZnS:Mn/Cu、SrAl₂O₄:Eu、SrAl₂O₄:Ce、Ho、SrMgAl₆O₁₁:Eu、SrCaMgSi₂O₇:Eu、SrBaMgSi₂O₇:Eu、Sr₂MgSi₂O₇:Eu、Ca₂MgSi₂O₇:Eu,Dy、CaYAl₃O₇:Eu、(Ba,Ca)TiO₃:Pr³⁺、ZnGa₂O₄:Mn、MgGa₂O₄:Mn、BaAl₂Si₂O₈:Re、Ca2Al₂SiO₇:Ce、ZrO₂:Ti、ZnMnTe、ZnS:Mn/Te、CaZnOS:Tb/Pr/Sm/Ho/Dy/Er/Eu/Tm/Nd/Yb一种或多种稀土元素组合、CaZnOS:Mn和LiNbO₃:Pr一种或多种组合，聚合物材料包括聚合物高分子材料，二甲基硅氧烷，透明橡胶，透明塑料，透明热塑性弹性体，氨纶，涤纶和尼龙中的一种或多种组合。

3.一种如权利要求1-2任意一项所述的基于应力发光材料的光控开关，其特征在于，非嵌入式光控开关设置有透光介质；反光层涂覆或贴附在应力发光层上表面，反光面朝向透光介质，透光介质与应力发光层下表面相对；透光介质和一个或多个光敏电阻组成的阵列相对，控制电路通过导线与光敏电阻相连接。

4.一种如权利要求1-2任意一项所述的基于应力发光材料的光控开关，包括控制蜂鸣器或LED开启或关闭的控制电路系统。

5.一种使用权利要求1-2任意一项所述光控开关的安全实时监测系统，能够实现物体损伤探测，或地震和火山监测。

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