CN108917996A - 基于皮革的压力传感器及其制备方法及压力传感阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于皮革的压力传感器，包括第一皮革和第二皮革，所述第一皮革和所述第二皮革通过粘合或缝纫固定相对位置，第一皮革包括第一皮革本体和导电材料，第一皮革本体与所述导电材料复合，第二皮革包括第二皮革本体和导电材料，第二皮革本体与所述导电材料复合。该压力传感器的材料成本低，制备方法简单，可实现大面积制备和工业化。
Description
技术领域
本发明属于柔性电子领域，具体涉及基于皮革的压力传感器及其制备方法及压力传感阵列。
背景技术
柔性已逐渐成为电子设备发展过程中人们关注的重点。基于半导体晶体或玻璃的传统传感器是刚性和易碎的衬底材料，这不利于可穿戴和便携式设备的实现。虽然柔性材料在某些方面不能取代用传统半导体材料制备的器件，但是重量轻，成本低，柔性的材料也吸引了很多研究者的关注。事实上，柔性的电子产品已经潜移默化地影响了我们的日常生活。由此可见，制备具有柔性的新型压力传感器具有提高人类生活质量的潜力。压力传感器是用来检测垂直施加在固体界面的单位区域上的力。目前，潜心研究压力传感的科研人员专注于器件的柔性化、器件的灵敏度、简单的制备工艺、低成本以及工业化。为了实现器件的可穿戴和低成本，他们研制了许多柔性基底；为了提高压力传感器的性能，他们在各种基底上设计了许多不同结构。虽然他们提出的策略在成本效益和快速制备方面显示出非常吸引人的特征，但由于没有临床测试的验证其作为实际电子应用还不具有说服力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于皮革的压力传感器及其制备方法及压力传感阵列，解决现有技术问题中的一个或者多个。
本发明提供了一种基于皮革的压力传感器，包括第一皮革和第二皮革，所述第一皮革和所述第二皮革通过粘合或缝纫固定连接，所述第一皮革包括第一皮革本体和导电材料，所述第一皮革本体与所述导电材料复合，所述第二皮革包括第二皮革本体和导电材料，所述第二皮革本体与所述导电材料复合。
其中，优选为通过PVA将第一皮革和第二皮革进行粘合。
在一些实施方式中，第一皮革本体为蓝湿皮、天然革、合成革或人造革中的一种，所述第二皮革本体为蓝湿皮、天然革、合成革或人造革中的一种。
压力传感器的电阻可通过控制在第一皮革和第二皮革上复合的导电材料的量来进行有效的控制。
在一些实施方式中，第一皮革的电阻大小范围为100Ω/cm2-7kΩ/cm2，所述第二皮革的电阻大小范围为100Ω/cm2-7kΩ/cm2。其中，第一皮革和第二皮革的电阻大小优选为为小于2kΩ/cm2。
在一些实施方式中，导电材料为、金属纳米材料、纳米碳材料、导电聚合物中一种或多种。
其中，纳米金属材料包括银纳米线、铜纳米线、金纳米线等，纳米碳材料包括石墨烯、单臂碳纳米管、多壁碳纳米管、炭黑等，导电聚合物包括聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚对苯撑、聚对苯撑乙烯和聚双炔等。
优选的，导电材料为碳纳米管、银纳米线、铜纳米线、金纳米线、石墨烯。
其中，由于皮革本体具有的官能团羧基、氨基、羟基、巯基、双硫键等，上述的导电材料中碳纳米管和石墨烯，可以通过化学键或者氢键等的分子间相互作用力与皮革本体结合在一起，或者通过静电吸附与皮革本体结合在一起，以增强导电材料与皮革本体的结合。
在一些实施方式中，复合的方法为抽滤、浸渍、旋涂、蘸涂、喷涂或印刷中的一种或多种。
具体的，比如抽滤：将皮革本体裁剪至砂芯漏斗直径大小相匹配，置于砂芯漏斗上，用循环水泵对导电材料配制的溶液抽滤，通过控制抽滤的次数，即控制每块皮革上面导电材料的质量，最后清洗、烘干。
一种基于皮革的压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将第一皮革本体与导电材料复合，第二皮革本体与导电材料复合；
S2、将第一皮革本体和第二皮革本体通过粘合或缝纫来固定连接，得到所述基于皮革的压力传感器。
一种基于皮革的压力传感器阵列，基于皮革的压力传感器阵列包括多个所述一种基于皮革的压力传感器，多个所述基于皮革的压力传感器中的每一个传感器可作为单个独立器件一个一个地排布成矩阵、圆阵或者其他阵列；也可以全部独立地存在于两张皮革组成的器件上排布成矩阵、圆阵或者其他阵列。
其中，压力传感器或者压力传感阵列的工作电压为1V-35V，压力传感器或者压力传感阵列的单元压力检测范围为0.25kPa-50kPa。
一种基于皮革的压力传感器可用于机器人领域、人机交互领域、医疗监测领域、再生医学领域和治疗学领域。
一种基于皮革的压力传感器的制备方法制备的压力传感器可用于机器人领域、人机交互领域、医疗监测领域、再生医学领域和治疗学领域。
一种基于皮革的压力传感器阵列可用于机器人领域、人机交互领域、医疗监测领域、再生医学领域和治疗学领域。
工作原理：在同一压力下，单个压力传感器(传感阵列的某一单元)的电压和电流呈线性关系(电阻恒定)；当电压恒定时，单个压力传感器(传感阵列的某一单元)在不同的压力下对应不同的电流值(即电阻)；当对单个压力传感器(传感阵列的某一单元)施加了一系列大小不同的压力，我们可获得相应的电流值以及电流变化比率与压力的关系；校正单个压力传感器(传感阵列的每个单元)之后，当未知的压力施加在该压力传感器或压力传感器阵列上时，我们可以通过换算得到施加压力的大小。
本发明的有益效果：
1、本发明实施例中制成压力传感器的材料成本低，制备方法简单，可实现大面积制备和工业化；
2、本发明实施例中皮革的三维多级结构，在制作压力传感器时不需要赋予材料新的结构，故可以避免很多制造工艺。于现有的其他天然材料相比，皮革更耐用；与聚合物相比，皮革有天然的多级结构，可生物降解、透气性好。更重要的是，皮革的多级结构不仅使得我们可以利用其表面做电极，而且导电材料也可以进入到皮革的内部结构，从而扩大测量压力的范围范围。
附图说明
图1为实施例1中酸化单壁碳纳米管的量对皮革电阻的影响；
图2为实施例1的压力传感器A在恒定压力下电压和电流的关系；
图3为实施例1的压力传感器A在恒定电压下不同压力和电流的关系；
图4为实施例1的压力传感器A不同的压力下电流变化比率与压力的关系；
图5为图4黑框部分的放大图。
图6为实施例3的压力传感器阵列示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下实施例只是用于更加清楚地说明本发明的性能，而不能仅局限于下面的实施例。
实施例1：
将0.8ml的酸化单壁碳纳米管水分散液用涂覆的方法与牛二层蓝湿皮进行复合，得到第一皮革，将0.8ml的酸化单壁碳纳米管水分散液用涂覆的方法与另一张牛二层蓝湿皮进行复合，得到第二皮革。
其中，可以通过控制负载在皮革上酸化单壁碳纳米管的量来调控皮革的电阻。如图1所示，当酸化单壁碳纳米管水分散液为0.15mL，皮革的电阻为2.65±1.79kΩ/cm2；当酸化单壁碳纳米管水分散液为0.3mL，皮革的电阻为1.9±1.15kΩ/cm2；当酸化单壁碳纳米管水分散液为0.45mL，皮革的电阻为1.72±0.654kΩ/cm2；当酸化单壁碳纳米管水分散液为0.6mL，皮革的电阻为0.97±0.536kΩ/cm2；当酸化单壁碳纳米管水分散液为0.75mL，皮革的电阻为0.5±0.374kΩ/cm2；随着酸化单壁碳纳米管水分散液涂覆量的增加，皮革的电阻降低，电阻越低，压力传感越稳定，因此通过导电材料的加入量，将皮革的电阻优化控制在小于2kΩ/cm2。
将第一皮革和第二皮革用PVA固定相对位置从而得到压力传感器A。
实施例2：
将银纳米线通过抽滤的方法与人造革进行复合，得到第一皮革，将银纳米线通过抽滤的方法与天然革进行复合，得到第二皮革。通过控制银纳米线的量调控皮革上的电阻。将第一皮革和第二皮革通过缝纫固定而得到压力传感器B。
对实施例1的压力传感器A进行电阻稳定性测试
在同一压力下，检测压力传感器A的在不同电压下的电流，如图2所示，分别在0.32kPa、0.8kPa、1.6kPa、3.2kPa、8kPa、16kPa、24kPa下，压力传感器A的电压和电流呈线性关系，由此可得在恒定的压力下皮革的电阻恒定。
压力传感器的工作原理：
如图3所示，压力传感器A在恒定电压下，不同的压力对应不同的电流值(即电阻)。
对单个传感器(传感阵列的某一单元)施加了一系列大小不同的压力，通过对获得的电流数据的处理，可以获得电流变化比率与压力的关系。
如图4所示，为0.25-50kPa压力范围内，压力传感器A的电流变化比率与压力P的关系；图5所示，为0.25-2.5kPa压力范围内，压力传感器A的电流变化比率与压力的关系。
校正单个传感器(传感阵列的某一单元)之后，当未知的压力施加在该器件上时，将时时检测到得电流(I)处理后可得ΔI/I0(电流变化比率)，将得到电流变化比率代入已经获得的该传感器电流变化比率与压力的关系曲线(曲线上的每一个压力都有一个对应的电流变化比率的值)，我们可以得到施加在传感器上压力的大小。
实施例3：
如图6所示，将9个实施例1中的压力传感器A按矩形阵列排列，得到3*3的压力传感器阵列C。
压力传感阵列C可以通过将阵列上的每一个单元获得的电流换算成电流变化比率，我们可以根据每一个单元的电流变化比率与压力的关系曲线获得时时压力(通过三维坐标，就可以明显看出施加在该压力传感阵列上的压力分布)。
在工况1，T字型钢块压在压力传感阵列C上时，在三维坐标上，压力值呈T字型分布；
在工况2，十字型钢块压在压力传感阵列C上时，在三维坐标上，压力值呈十字型分布；
在工况3，六根质量相同一字型钢块呈梯形压在压力传感阵列C上时，在三维坐标上，压力值呈梯形分布，且压力值跟钢块的重量呈正比。
在本发明提供的实施方案中，压力传感器的材料成本低，制备方法简单，可实现大面积制备和工业化；且皮革的三维多级结构使得其在制作压力传感器时不需要被重新赋予新的结构，故可以避免很多制造工艺。于现有的其他天然材料相比，皮革更耐用；与聚合物相比，皮革有天然的多级结构，可生物降解、透气性好。更重要的是，皮革的多级结构不仅使得我们可以利用其表面做电极，而且导电材料也可以进入到皮革的内部结构，从而扩大测量压力的范围。
以上表述仅为本发明的优选方式，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于皮革的压力传感器，其特征在于，包括第一皮革和第二皮革，所述第一皮革和所述第二皮革通过粘合或缝纫固定连接，所述第一皮革包括第一皮革本体和导电材料，所述第一皮革本体与所述导电材料复合，所述第二皮革包括第二皮革本体和导电材料，所述第二皮革本体与所述导电材料复合。
2.根据权利要求1所述的一种基于皮革的压力传感器，其特征在于，所述第一皮革本体为蓝湿皮、天然革、合成革或人造革中的一种，所述第二皮革本体为蓝湿皮、天然革、合成革或人造革中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于皮革的压力传感器，其特征在于，所述第一皮革的电阻大小范围为100Ω/cm2-7kΩ/cm2，所述第二皮革的电阻大小范围为100Ω/cm2-7kΩ/cm2。
4.根据权利要求1所述的一种基于皮革的压力传感器，其特征在于，所述导电材料为金属纳米材料、纳米碳材料、导电聚合物中一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种基于皮革的压力传感器，其特征在于，所述复合的方法为抽滤、浸渍、旋涂、喷涂、蘸涂或印刷中的一种或多种。
6.权利要求1至5中任一权利要求所述的一种基于皮革的压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将第一皮革本体与导电材料复合，第二皮革本体与导电材料复合；
S2、将第一皮革本体和第二皮革本体通过粘合或缝纫来固定连接，得到所述基于皮革的压力传感器。
7.一种基于皮革的压力传感器阵列，其特征在于，所述基于皮革的压力传感器阵列包括多个权利要求1至5中任一权利要求所述的一种基于皮革的压力传感器，多个所述基于皮革的压力传感器排布成矩形阵列、圆形阵列或其他不规则阵列。
8.权利要求1至5中任一权利要求所述的一种基于皮革的压力传感器可用于机器人领域、人机交互领域、医疗监测领域、再生医学领域和治疗学领域。
9.权利要求6所述的一种基于皮革的压力传感器的制备方法制备的压力传感器可用于机器人领域、人机交互领域、医疗监测领域、再生医学领域和治疗学领域。
10.权利要求7所述的一种基于皮革的压力传感器阵列可用于机器人领域、人机交互领域、医疗监测领域、再生医学领域和治疗学领域。
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2018
- 2018-03-30 CN CN201810287882.2A patent/CN108917996A/zh active Pending
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Application publication date: 20181130 |
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