CN108365016A - 一种液态金属柔性整流二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种液态金属柔性整流二极管，包括液态金属电极、聚电解质凝胶、柔性壳和引线管，所述液态金属电极、聚电解质凝胶置于所述柔性壳内，所述的液态金属电极包括阴极和阳极，分别位于柔性壳内两端、被所述聚电解质凝胶隔开；柔性壳的两端各连接一根引线管，引线管内填充有液态金属，分别与阴极的液态金属和阳极的液态金属贯通。本发明提出的柔性二极管在便携式、可穿戴式电子装置领域，以及人造器官、肌肉、神经组织或皮肤等生物假体装置领域具有巨大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于电子元器件技术领域，具体涉及一种含有液态金属的二极管。
背景技术
二极管是最常用的电子元件之一，它最大的特性就是单向导电。整流二极管是二极管中的一类，其原理是利用p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结，在结两侧形成空间电荷层，利用电子和空穴的关系过滤交流电中的反向电流，仅允许正向电流流过二极管，进而将交流电转变成直流电。
在生物体细胞膜上，存在着一种可以精准控制离子传输的离子通道，这种离子通道具有门控开关的功能，可以选择性的将某些离子传输入细胞，但不能将这离子运出细胞，类似于二极管的单向导通。在生物学中，该通道被称为“内部整流离子通道”，对应的单向传输能力被称为离子整流效应，而产生该效应的最主要原因是离子通道具备的不对称性质。
液态金属是一大类常温下呈液态的金属的总称，这类金属不仅具备一般金属的性质，如高导电性、高导热性等，还具备一般流体的特性，如流动性、可变形性等。这些性质使其在某些领域，如柔性机器、可穿戴设备及生物学领域的应用具备独特优势。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于：利用液态金属的导电性、通电氧化/还原性及可变形流体的性质，配合运用聚合物、凝胶等柔性材料，提供一种基于离子整流效应的柔性整流二极管。
本发明的另一目的是提出所述液态金属柔性整流二极管的应用。
实现本发明上述目的的技术方案为：
一种液态金属柔性整流二极管，包括液态金属电极、聚电解质凝胶、柔性壳和引线管，所述液态金属电极、聚电解质凝胶置于所述柔性壳内，所述的液态金属电极包括阴极和阳极，分别位于柔性壳内两端、被所述聚电解质凝胶隔开；柔性壳的两端各连接一根引线管，引线管内填充有液态金属，分别与阴极的液态金属和阳极的液态金属贯通。
其中，所述液态金属为低熔点金属单质或低熔点合金，
所述低熔点金属单质选自镓、铟、锡、锌、铋、汞、钠中的一种；
所述低熔点合金选自以镓、铋、汞为基体的二元、多元合金，或选自由锡、锌、铅、铬、铜、铝、钠、钾、铯中的一种或多种与镓基、铋基、汞基合金配置而成的中低温多元合金中的一种或多种。
其中，所述的柔性壳、引线管可由重量轻、厚度薄、柔软可弯曲的高分子材料制成，通常为电子电路常用材料。具体地，所述的柔性壳、引线管由高分子材料制成，所述高分子材料为聚酰亚胺、聚醚醚酮、透明导电涤纶、硅橡胶、硅胶、塑胶中的一种材料或多种的复合材料。柔性壳和引线管通过注塑成型或3D打印制备。
其中，所述聚电解质凝胶包括等体积配置的碱性聚电解质凝胶和酸性聚电解质凝胶，所述碱性聚电解质凝胶与阳极接触，所述酸性聚电解质凝胶与阴极接触；
所述碱性聚电解质凝胶由分散在凝胶内的碱性聚电解质构成；所述酸性聚电解质凝胶由分散在凝胶里的酸性聚电解质构成。
采用掺混有聚电解质的凝胶接通两电极一方面有利实现二极管柔性的特征，另一方面增强聚电解质离子的导电性，再一方面能提升二极管的封装性。所述凝胶的作用有三方面：沿凝胶聚合物骨架分布的带电基团提高聚电解质离子的电导率；提升二极管的封装性；实现二极管整体的柔性。
进一步地，所述酸性聚电解质为聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸(PMMA)、聚苯乙烯磺酸(PSS)中的一种或几种；所述碱性聚电解质为聚乙烯亚胺(PEI)、聚乙烯胺(PVAM)、聚乙烯吡啶(PVP)中的一种或几种。
其中，所述的凝胶为琼脂糖凝胶、聚丙烯酰胺(PAM)凝胶、聚丙烯酰胺和琼脂糖交联凝胶、壳聚糖/聚乙烯亚胺(PEI)复合水凝胶、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/聚丙烯酸(PAA)共混水凝胶、聚苯乙烯凝胶中的一种或几种；
所述碱性/酸性聚电解质在凝胶中所占比重为20％～98％。
优选地，液态金属电极与聚电解质凝胶层的厚度比为1:3～10。
本发明的一种优选技术方案为，所述液态金属电极、聚电解质凝胶置于圆柱形的柔性壳内，所述的液态金属电极包括阴极和阳极，分别位于柔性壳内的两端、被所述聚电解质凝胶隔开；所述聚电解质凝胶包括等体积配置的碱性聚电解质凝胶和酸性聚电解质凝胶，所述碱性聚电解质凝胶由聚乙烯亚胺分散在琼脂糖凝胶中构成，所述酸性聚电解质凝胶由聚丙烯酸分散在琼脂糖凝胶中构成。
应用本发明所述液态金属柔性整流二极管构成的整流电路。
本液态金属柔性整流二极管的工作方法为：
通电前，阳极液态金属表面的自氧化层被碱性聚电解质还原，而阴极液态金属表面的自氧化层仍然存在。
二极管阳极连接电源正极时，阴极液态金属表面的自氧化层被还原，电场作用使凝胶中的聚电解质离子定向运动形成电流，二极管正向导通。
二极管阴极连接电源正极时，阴极液态金属表面氧化加剧，氧化膜厚度随通电时间的增加而增加，增厚的氧化膜阻断电场对凝胶中聚电解质离子的作用，带电离子未发生定向运动，凝胶中无电流形成，二极管反向截止。
本发明提出的柔性二极管，为液态金属和聚电解质凝胶制成，本液态金属柔性整流二极管，利用了生物体中的离子整流效应，该二极管通过保持单侧液态金属电极表面无氧化，在另一侧液态金属电极上形成/还原氧化层来实现单向导通性。
本发明提出的柔性二极管在便携式、可穿戴式电子装置领域，以及人造器官、肌肉、神经组织或皮肤等生物假体装置领域具有巨大的应用潜力。
附图说明
图1为施加不同方向的电压时液态金属的表面变化。
图2为本发明提供的柔性二极管结构示意图。
图3为本发明提供的柔性二极管的正向导通和反向截止示意图。
图4为本发明提供的柔性二极管整流的典型实测I-V曲线图。
图中构件和编号的对应关系为：
铜箔1，液态金属2，水溶液3，阳极4，掺混有聚乙烯亚胺的琼脂糖凝胶5，掺混有聚丙烯酸的琼脂糖凝胶6，氧化膜7，阴极8，柔性壳9，引线管10。
具体实施方式
现以以下最佳实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
液态金属为GaIn二元合金(熔点为16℃)，聚电解质为阳离子聚合物聚乙烯亚胺(PEI)、阴离子聚合物聚丙烯酸(PAA)，凝胶为琼脂糖凝胶，柔性壳和引线管采用聚酰亚胺(PI)制作。在本实施例中，液态金属电极(阳极和阴极)与凝胶的厚度(两种的总厚度)比为1:5，PEI或PAA各自占所在凝胶质量的80％。
如图1(a)所示，自然条件下GaIn二元合金表面会自发形成薄的氧化层，该氧化层阻断液态金属的进一步氧化。图1(b)、(c)是以液态金属2、铜箔1作为电极，在水溶液3中分别通以反、正向电压，在光学显微镜下观察得到液态金属电极表面情况。如图1(b)所示，施加的反向电压大于1V时，液态金属表面的氧化层被还原使其变得明亮而有光泽度，移除电压后，自氧化作用下氧化层会再生；施加的正向电压时(图1(c))，随电压的增大，液态金属表面的氧化层厚度增加，移除电压后，随时间推移，在无外部驱动作用下，氧化层的厚度不发生变化。
本二极管的制备方法为：
1)通过注塑成型或3D打印制备柔性壳和引线管；
2)从两个引线管分别注入掺混有聚乙烯亚胺/聚丙烯酸的琼脂糖凝胶；
3)注入液态金属。
如图2所示，液态金属电极包括阳极4和阴极8，分别设置在柔性壳9内两端，其中阳极4与掺混有聚乙烯亚胺的琼脂糖凝胶5接触，液态金属电极8与掺混有聚丙烯酸的琼脂糖凝胶6接触，两种凝胶的厚度均等。得到的柔性二极管，与PEI/琼脂糖凝胶接触的GaIn电极为阳极4，与PAA/琼脂糖凝胶接触的GaIn电极为阴极8，二极管整体通过灌有液态金属的引线管10与外部连接，引线管内的液态金属分别与阴极的液态金属和阳极的液态金属贯通。
如图3所示，对二极管进行通电测试。由于PEI/琼脂糖凝胶提供了碱性氛围，整个过程中阳极GaIn合金表面无氧化层存在。当二极管阳极连接电源正极时，阴极GaIn合金表面的氧化膜7被还原，在电场作用下凝胶中的离子定向运动形成电流，二极管正向导通，如图3(a)；当二极管阴极连接电源正极时，阴极GaIn合金表面氧化加剧，氧化膜7厚度随通电时间的增加而增加，电场不能穿透氧化膜7驱动凝胶中的带电离子运动，两凝胶层中无电流形成，二极管反向截止如图3(a)。
图4为实测该整流二极管的I-V曲线图，由图可知，对于本实施例二极管，反向电流被抑制，相同的绝对偏压下测量的正向电流与反向电流之比(整流比)达到了14左右。
实施例2:
液态金属为GaInSn(熔点为5℃)，其他部分与实施例1相同。
实施例3
液态金属为GaInSnZn(熔点为3℃)，其他部分与实施例1相同。
以上的实施例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)
1.一种液态金属柔性整流二极管，其特征在于，包括液态金属电极、聚电解质凝胶、柔性壳和引线管，所述液态金属电极、聚电解质凝胶置于所述柔性壳内，所述的液态金属电极包括阴极和阳极，分别位于柔性壳内两端、被所述聚电解质凝胶隔开；柔性壳的两端各连接一根引线管，引线管内填充有液态金属，分别与阴极的液态金属和阳极的液态金属贯通。
2.根据权利要求1所述的液态金属柔性整流二极管，其特征在于，所述液态金属为低熔点金属单质或低熔点合金，
所述低熔点金属单质选自镓、铟、锡、锌、铋、汞、钠中的一种；
所述低熔点合金选自以镓、铋、汞为基体的二元、多元合金，或选自由锡、锌、铅、铬、铜、铝、钠、钾、铯中的一种或多种与镓基、铋基、汞基合金配置而成的中低温多元合金中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的液态金属柔性整流二极管，其特征在于，所述的柔性壳、引线管由高分子材料制成，所述高分子材料为聚酰亚胺、聚醚醚酮、透明导电涤纶、硅橡胶、硅胶、塑胶中的一种材料或多种的复合材料，柔性壳和引线管通过注塑成型或3D打印制备。
4.根据权利要求1所述的液态金属柔性整流二极管，其特征在于，所述聚电解质凝胶包括等体积配置的碱性聚电解质凝胶和酸性聚电解质凝胶，所述碱性聚电解质凝胶与阳极接触，所述酸性聚电解质凝胶与阴极接触；
所述碱性聚电解质凝胶由分散在凝胶内的碱性聚电解质构成；所述酸性聚电解质凝胶由分散在凝胶里的酸性聚电解质构成。
5.根据权利要求4所述的液态金属柔性整流二极管，其特征在于，所述酸性聚电解质为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯磺酸中的一种或几种；所述碱性聚电解质为聚乙烯亚胺、聚乙烯胺、聚乙烯吡啶中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的液态金属柔性整流二极管，其特征在于，所述的凝胶为琼脂糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶、聚丙烯酰胺和琼脂糖交联凝胶、壳聚糖/聚乙烯亚胺复合水凝胶、聚乙烯吡咯烷酮/聚丙烯酸共混水凝胶、聚苯乙烯凝胶中的一种或几种；
所述碱性/酸性聚电解质在凝胶中所占比重为20％～98％。
7.根据权利要求1～6任一项所述的液态金属柔性整流二极管，其特征在于，所述液态金属电极与聚电解质凝胶层的厚度比为1:3～10。
8.根据权利要求1～6任一项所述的液态金属柔性整流二极管，其特征在于，所述液态金属电极、聚电解质凝胶置于圆柱形的柔性壳内，所述的液态金属电极包括阴极和阳极，分别位于柔性壳内的两端、被所述聚电解质凝胶隔开；所述聚电解质凝胶包括等体积配置的碱性聚电解质凝胶和酸性聚电解质凝胶，所述碱性聚电解质凝胶由聚乙烯亚胺分散在琼脂糖凝胶中构成，所述酸性聚电解质凝胶由聚丙烯酸分散在琼脂糖凝胶中构成。
9.应用权利要求1～8任一项所述液态金属柔性整流二极管构成的整流电路。
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