CN108180927B - 一种全柔性自供能传感器及其制作方法 - Google Patents

一种全柔性自供能传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种全柔性自供能传感器，包括液态金属电极层、压电材料层、封装层，所述液态金属电极层与所述压电材料层接触，所述液态金属电极连接有显示器或无线模块；所述显示器或无线模块为所述全柔性自供能传感器上面的第一层，所述封装层为所述全柔性自供能传感器的底层和/或侧壁。本发明还提出所述全柔性自供能传感器的制作方法。本发明提出的全柔性自供能传感器，将液态金属与柔性压电材料相结合以实现传感器的全柔性和自供能。借助液态金属的柔性及压电材料的性质，可以十分方便的将机械能转换为电能，满足传感器的日常使用，并且具有良好的灵敏度、拉伸性能和稳定性。

Description

一种全柔性自供能传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于传感器领域，特别涉及到一种全柔性自供能传感器及其制作方法。
背景技术
传感器技术在现代科学技术中具有十分重要的地位，被称为现代信息技术的三大支柱(传感技术、计算机技术、通信技术)之一。作为一种检测装置，传感器能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，在自动化系统以及现代尖端技术中是必不可少的关键组成部分。近年来随着科技的发展，传感器技术在精度和广度方面都取得了快速的进步。然而，面对物联网时代的巨大需求，传统传感器已无法完全满足生产生活的需要，一些新型传感器亟待取得突破，比如本发明所提出的柔性传感器和自供能传感器。
随着生活质量的不断提高，智能终端愈发地普及，可穿戴电子设备也呈现出巨大的市场前景。传感器作为可穿戴电子设备核心部件之一，将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。对于可穿戴设备而言，柔性传感器具有轻薄便携舒适、电学性能优异和集成度高等特点，使其成为最受关注的电学传感器之一，而传感器柔性的实现方式则是一大挑战。
按供能方式可以将微型传感器分为两种:有源和无源传感器。前者由于采用电池供电，传感距离非常远，可采用各种电路,控制处理方便灵活,目前已被广泛应用。然而,对于许多不能提供电源、需长期监测、电池不易更换或者易燃易爆等危险场合的应用，必须采用无源传感器来实现测量。此外，在无线传感器网络应用中,由于节点数量多和分布范围大,电池更换问题也难以解决。因此，能够自供能的无源传感器具有广泛的应用前景,也是目前国内外研究的热点。
本发明将液态金属和压电材料相结合，提出一种全柔性自供能传感器的原理及其制作方法，其可以实现传感器的全柔性和自供能。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明的目的是提出一种全柔性自供能传感器及其制作方法，以解决现有传感器非全柔性无法适应复杂曲面，同时需要外加电源的问题。
本发明的另一目的是提出简单制作全柔性自供能传感器的方法。
实现本发明上述目的的技术方案为：
一种全柔性自供能传感器，包括液态金属电极层、压电材料层、封装层，所述液态金属电极层与所述压电材料层接触，所述液态金属电极连接有显示器或无线模块；
所述显示器或无线模块为所述全柔性自供能传感器上面的第一层，所述封装层位于所述全柔性自供能传感器的底层和侧壁。
其中，构成所述压电材料层的压电材料为压电薄膜或压电纤维，所述压电薄膜选自PVDF(偏聚氟乙烯)锆钛酸铅压电陶瓷(PET)，所述压电纤维选自聚偏氟乙烯、ZnO纳米线、压电陶瓷纤维中的一种，所述压电材料层的厚度为100-500μm；
所述液态金属电极层位于所述压电材料层的上面，液态金属上方设置所述显示器或无线模块。
其中，所述无线模块通讯连接有电子设备，所述电子设备为手机和/或电脑。
其中，所述液态金属电极层由液态金属打印形成、或是在流道内填充形成，所述液态金属选自金属镓、镓铟合金或铋铟锡合金中的一种或几种。
优选地，所述液态金属选自Ga60In40、Ga80In20、Ga70In30、Ga65In35、Ga75.5In24.5、Ga67In21Sn12、Ga61In25Sn13Zn1中的一种，打印的线条、或在流道内形成的线条的直径为50-200微米。
其中，所述封装层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚碳酸酯中的一种或多种，封装层的厚度为100-500微米。
一种全柔性自供能传感器的制作方法，包括制作液态金属电极层，从下至上安装压电材料层、液态金属电极层、显示层或无线模块，最后用封装材料封装。
所述的全柔性自供能传感器的第一种制作方法，包括步骤：
1)以压电材料的上为基底，分别通过打印制作液态金属电极层；
2)先安装显示器或无线模块后再用封装材料封装于压电材料层的底部和整个器件的侧壁。
所述的全柔性自供能传感器的第二种制作方法，包括步骤：
1)在基底层上设置流道，将液态金属填充入流道中，构成液态金属电极层；
2)用粘接剂将液态金属电极层、压电材料层以及封装层粘接在一起，形成一种类似三明治的结构；所述粘接剂为有机硅类胶、酚醛树脂胶、脲醛树脂胶、耐温环氧胶、聚酰亚胺胶，高温胶ZS中的一种；
3)安装显示器或无线模块后用封装材料封装。
其中，所述基底层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚碳酸酯中的一种，所述基底层的厚度为100-300微米。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点和效果：
本发明提出的全柔性自供能传感器，将液态金属与柔性压电材料相结合以实现传感器的全柔性和自供能。借助液态金属的柔性及压电材料的性质，可以十分方便的将机械能转换为电能，满足传感器的日常使用。
本发明提供的全柔性自供能传感器，其优点在于：所述的传感器为全柔性，可以进行拉伸扭转等变形，在复杂表面的感知及人体信号测量方面有着独到的优势，并且无需外界提供能量，可利用自身的形变捕获能量。液态电极可以更好的贴合压电材料，拥有良好的灵敏度，可以感测毫克级别的质量。实验发现，本全柔性自供能传感器具有高拉伸性(大于200％)。同时，传感器拥有优异的耐久性，多次拉伸下(大于800次)仍保持良好的稳定性，此全柔性自供能传感器有着巨大的应用场景。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的全柔性自供能传感器的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的全柔性自供能传感器的结构示意图；
图3为液态金属电极的结构示意图；
图4是制作流程示意图；
图5是压电纤维层的结构示意图；
其中1是无线模块，2是液态金属电极层，201为液态金属电极，202为基底层，3是压电材料层，4是封装层，5是显示层，6是压电纤维。
具体实施方式
现以以下实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中使用的手段，如无特别说明，均使用本领域常规的手段。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1.
附图1是本发明结构的示意图，此图展示了柔性自供能传感器的结构，包括无线模块1、压电材料层3(液态金属电极层2位于压电材料层上表面)及封装层4。形成一种类似三明治结构。本实例所述传感器用于测试心跳。
所述的无线模块1可选用市场上常见的无线模块，比如无线收发模块JF24D，需要注意的是无线模块需使用柔性的电路板，以实现器件的全柔性。所使用的无线模块用于将传感器所测得的数据传输到相应的电子设备上。具体地，所选的无线模块可为低电压驱动。本实施例的无线模块厚度为200微米。
本实施例构成压电材料层3的压电材料为聚偏氟乙烯薄膜，厚度为200微米。聚偏氟乙烯薄膜可在形变时产生电压，为传感器所用。
液态金属电极是一种由室温下呈液态的金属制作的柔性电极，可在拉伸扭转等条件下保持正常工作，其长度根据需要选定，直径为100微米。本实例构成液态金属电极层3的是Ga75.5In24.5合金，其熔点为15.7摄氏度，可在使用环境下保持液态。经测试，该电极的导电率量级为107S，优于现在常用的导电液体。同时，液态电极可以更好的贴合压电材料，拥有良好的灵敏度，可以感测毫克级别的质量。本传感器依赖于压电材料产生的电能，可以做到自供能，无需外界电源供给。实验发现，本全柔性自供能传感器具有高拉伸性(大于200％。同时，传感器拥有优异的耐久性，多次拉伸下(大于800次)仍保持良好的稳定性。封装层4为聚碳酸酯，聚碳酸酯具有良好的光学性能、韧性和阻燃性等。
本实施例传感器用于测试心跳频率，其厚度为0.6mm，长宽为30mm，较大的覆盖范围与较薄的厚度相配合可以高灵敏度的捕捉心脏的跳动。
制作方式为:
在压电薄膜3上面使用液态金属打印机打印液态金属电极，液态金属打印机选用梦之墨公司生产的打印机，液态金属电极电路形状可选为正弦波形或者折线形，以增大与压电薄膜层的接触面积。
打印完毕后，分别在压电薄膜3上下封装无线模块1和封装层4。无线模块1应和液态金属电极层2保持良好的接触，液态金属电极和压电薄膜3亦需保持良好的接触。
工作原理：
把制作完成的传感器贴于心脏附近皮肤上，此传感器为全柔性，故可以方便舒适的在人体皮肤上进行贴合。当心脏搏动时，传感器压电薄膜层3受到挤压产生电压，电压通过液态金属电极2传输到无线模块层1，无线模块1将数据传输到手机等终端设备上。本传感器使用柔性的液态金属电极、柔性的压电薄膜以及柔性的封装层，是一种全柔性的自供能传感器。
实施例2
如图2所示，为本实施例提供的另一种柔性自供能传感器，包括显示层5、液态金属电极层2、压电材料层3以及底部的封装层4。本实施例与实施例1有诸多相似，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处。本实例所述传感器用于检测拉力大小，并进行显示。
本实例结构的显示层5为一种柔性显示屏，用于显示传感器所测得的数据。具体的，显示屏应为柔性材料制成，且可为低电压驱动。具体为基于OLED显示技术的柔性显示屏。显示层的接口与液体金属电极连接。显示层厚度为200微米。
具体制作方法与实例1相同，这里不再赘述。
工作原理为：
当外界拉力对此全柔性自供能传感器进行拉伸时，压电薄膜受拉产生电压，电压通过液态金属电极传输到显示层，显示层显示为具体电压或者电流，根据电压或者电流的不同，判断拉力的大小。本传感器全柔性，具有良好的拉伸性能，耐久性和灵敏度。
实施例3
本实施例传感器的制作方法和实施例1和2不同。本实施例的制作流程如图4所示。
制作方法：
S1.分别准备液态金属电极层、压电材料层3以及封装层4。如图3所示，液态金属电极层具有单独的基底层202，基底层的材料可选择聚二甲基硅氧烷，透明易处理。基底层202上设置有微流道，用于填充液态金属电极201，微流道的形状可根据需要选择，本实施例设置为两组交错的梳形流道，两组镶嵌设计的电极可以提高感测灵敏度。本基底层的厚度为200微米。
S2.借助粘接剂将电极层2、压电材料层3以及封装层4粘接在一起，形成一种类似三明治的结构。粘接剂为有机硅胶。
实施例4：
本实施例与实施例1主要不同在于，本实施例的压电材料层为压电纤维6构成，压电纤维6附着于聚二甲基硅氧烷材质的基底层202上，具体形状如图5所示。显示层和液态金属电极层相连，液态金属电极层位于压电材料层的上面。
本传感器制作方法同实施例3，在此不再赘述。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种全柔性自供能传感器，其特征在于，包括液态金属电极层、压电材料层、封装层，所述液态金属电极层与所述压电材料层接触，所述液态金属电极层连接有显示器或无线模块；
所述显示器或无线模块为所述全柔性自供能传感器上面的第一层，所述封装层位于所述全柔性自供能传感器的底层和侧壁；构成所述压电材料层的压电材料为压电薄膜或压电纤维。
2.根据权利要求1所述的全柔性自供能传感器，其特征在于，所述压电薄膜选自聚偏氟乙烯或者锆钛酸铅压电陶瓷，所述压电纤维选自聚偏氟乙烯、ZnO纳米线、压电陶瓷纤维中的一种，所述压电材料层的厚度为100-500μm；
所述液态金属电极层位于所述压电材料层的上面，液态金属上方设置所述显示器或无线模块。
3.根据权利要求1所述的全柔性自供能传感器，其特征在于，所述无线模块通讯连接有电子设备，所述电子设备为手机和/或电脑。
4.根据权利要求1所述的全柔性自供能传感器，其特征在于，所述液态金属电极层由液态金属打印形成、或是在流道内填充形成，所述液态金属选自金属镓、镓铟合金、镓铟锡或者镓铟锡锌合金中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的全柔性自供能传感器，其特征在于，所述液态金属选自Ga60In40、Ga80In20、Ga70In30、Ga65In35、Ga75.5In24.5、Ga67In21Sn12、Ga61In25Sn13Zn1中的一种，打印的线条、或在流道内形成的线条的直径为50-200微米。
6.根据权利要求1-5任一项所述的全柔性自供能传感器，其特征在于，所述封装层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚碳酸酯中的一种或多种，封装层的厚度为100-500微米。
7.一种全柔性自供能传感器的制作方法，其特征在于，包括制作液态金属电极层，从下至上安装压电材料层、液态金属电极层、显示器或无线模块，最后用封装材料封装；
具体包括步骤：
1)以压电材料层的上表面为基底，通过打印制作液态金属电极层；
2)首先安装显示器或无线模块，然后用封装材料封装于压电材料层的底部和整个器件的侧壁。
8.根据权利要求7所述的全柔性自供能传感器的制作方法，其特征在于，包括步骤：
1)在基底层上设置流道，将液态金属填充入流道中，构成液态金属电极层；
2)用粘接剂将液态金属电极层、压电材料层以及封装层粘接在一起，形成一种类似三明治的结构；所述粘接剂为有机硅类胶、酚醛树脂胶、脲醛树脂胶、耐温环氧胶、聚酰亚胺胶，高温胶ZS中的一种；
3)安装显示器或无线模块后再用封装材料封装。
9.根据权利要求8所述的全柔性自供能传感器的制作方法，其特征在于，所述基底层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚碳酸酯中的一种，所述基底层的厚度为100-300微米。
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