CN108955928B - 一种柔性温度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器，特别是一种柔性温度传感器及其制备方法。本发明提供的所述柔性温度传感器包括传感器主体和电极；所述传感器主体从上到下包括第一TPU薄膜绝缘层、第一导电层、隔离层、第二导电层、第二TPU薄膜绝缘层；所述电极从第一导电层或第二导电层上引出，与外置电路连接；所述隔离层为半结晶聚合物与纳米银线的混合物，其导电/电阻性能可随着温度的改变而变化；本发明的工艺方法中的隔离层为半结晶聚合物，在不同的温度下，半结晶聚合物的结晶和非结晶的比例是不一样的，因此使得两电极之间电阻发生改变。达到了灵敏度高，有微小的温度变化，就足以有较大的电阻改变，通过温度与电阻值之间的关联关系，采用计算机数据处理，从而检测出温度变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，特别是一种柔性温度传感器及其制备方法。
背景技术
常规温度传感器作为采集控制点温度数据的专用器件,常用的温度传感器种类繁多。理想的温度传感器，应该具有成本低廉、制备简单和通用性强等特点。电阻型温度传感器的柔性好，结构简单，兼容性好，电阻变化易于读取，常应用于电子皮肤。电阻型温度传感器原理为材料的电阻随温度变化，传感器材料多为金属，如金和铂。铂作为温度传感器在较大温度变化量程下精度可达到0.03℃。对于柔性温度传感器，常见的有导电聚合物，复合导电高分子材料等，但其灵敏度较低，不适合用于人体温度范围内的温度监测。最近，导电填料填充型聚合物受到广泛关注，由于基体材料和导电填料的热膨胀系数不同，当晶体聚合物达到熔点时，导电填料填充型聚合物的电阻变化比传统温度传感器高多个数量级。控制聚合强度将晶体聚合物的熔点设定在人体温度附近，就能克服传统柔性温度敏感材料灵敏度低的缺点。此外，由于基体材料在熔点和凝结点附近融化和凝结过程形貌会发生变化，使用单独基体和填料的聚合物往往电阻变化的再现性很小，重复性低。而聚合物使用多种基体材料和/或多种导电填料并用时，重复性和再现性就会得到提高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种柔性温度传感器及其制备方法。
本发明提供的所述柔性温度传感器包括传感器主体和电极；所述传感器主体从上到下包括第一TPU薄膜绝缘层、第一导电层、隔离层、第二导电层、第二TPU薄膜绝缘层；所述电极从第一导电层或第二导电层上引出，与外置电路连接；所述隔离层为半结晶聚合物与纳米银线的混合物。所谓半结晶聚合物即聚合物内部结构是结晶结构混合非晶结构，结晶结构为非导体，非晶结构为导体。在不同的温度，半结晶聚合物的结晶和非结晶的比例是不一样的，因此电阻也会发生改变。但是如果只有半结晶聚合物，灵敏度不高，加入少量纳米银线，就能大大加强隔离层的灵敏度，从而很容易的感应到温度的微小变化。
优选的，所述半结晶聚合物为聚氧化乙烯，所述隔离层厚度为400-600μm。
优选的，所述聚氧化乙烯的分子量为40*104-60*104。聚氧化乙烯在这个分子量的结晶和非结晶态对于温度的灵敏度最高。
所述隔离层中，所述纳米银线占所述半结晶聚合物的重量百分比为0.3-0.5％。纳米银线的加入会大大放大隔离层的灵敏度，但是如果加入量太大，也会导致外部环境对传感器的影响。
优选的，所述第一导电层和第二导电层为银纳米线膜。
优选的，所述银纳米线膜为0.3～1.5wt％的银纳米线异丙醇溶液干燥而成，厚度为80～180nm。这个比例有利于狭缝式涂布。
优选的，所述第一TPU薄膜绝缘层和第二TPU薄膜绝缘层的厚度为4.5-120μm。
所述纳米银线的直径20-150nm。
上述柔性温度传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将半结晶聚合物加热至熔融状态，加入纳米银线搅拌均匀，降温至30-50℃，压制成400-600μm的薄膜，作为隔离层；
S2、在步骤S1的隔离层的正面狭缝式涂布纳米导电材料，干燥后，形成第一导电层；可以用Slot-Die涂布机。
S3、在步骤S2的第一导电层的另一面狭缝式涂布狭缝式涂布120-130℃的TPU热熔胶，降温至室温形成第一TPU薄膜绝缘层；
S4、在步骤S1的隔离层的反面狭缝式涂布纳米导电材料溶液，干燥后，形成第二导电层；
S5、在步骤S4的第二导电层的另一面狭缝式涂布120-130℃的TPU热熔胶，降温至室温形成第二TPU薄膜绝缘层；
S6、在第一导电层和第二导电层的导电材料上引出一对电极，根据所需要的感应范围，进行固化封装。
优选的，步骤S1中的半结晶聚合物为聚氧化乙烯，所述熔融状态的温度为120-130℃。
优选的，步骤S2和S4中的干燥方法为风力干燥。
优选的，所述步骤S6中固化封装采用UV固化树脂点胶的方法。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的工艺方法中的隔离层为半结晶聚合物，在不同的温度，半结晶聚合物的结晶和非结晶的比例是不一样的，使得两电极之间电阻发生改变。配合加入少量纳米应先，达到了灵敏度高，有微小的温度变化，就足以有较大的电阻改变，从而检测出温度变化。
2、本发明的结构上可以实现柔性，应用在诸如可穿戴、电子皮肤等行业。
3、本发明可以通过调节隔离层不同的半结晶聚合物、隔离层形貌、两层电极方阻的大小，实现不同传感器不同的灵敏度及量程的要求。
4、二甲基硅氧烷很难光固化，本发明创新性的用了新型的光引发剂，使得PDMS封装层的光固化时间可以达到要求。
5、本发明的温度传感器的制备方法为结合高精密卷对卷涂覆技术及快速UV固化叠层反应技术，实现柔韧性好、可拉伸、高光透过率、导电性能优异的柔性透明导电电极产业化。
具体实施方式
以下部分是具体实施方式对本发明做进一步说明，但以下实施方式仅仅是对本发明的进一步解释，不代表本发明保护范围仅限于此，凡是以本发明的思路所做的等效替换，均在本发明的保护范围。
实施例1
纳米导电材料溶液为0.3～1.5wt％的银纳米线异丙醇溶液。
S1、将分子量为40-60*104的聚氧化乙烯粒子加热至熔融状态，加入纳米银线搅拌均匀，降温至30-50℃，压制成400-600μm的薄膜，作为隔离层；所述纳米银线占所述氧化乙烯薄膜的重量百分比为0.3-0.5％。
S2、在步骤S1的隔离层的正面用Slot-Die涂布机狭缝式涂布纳米导电材料溶液，风力干燥后，形成厚度为80～180nm。的第一导电层；
S3、在步骤S1的第一导电层的另一面用Slot-Die涂布机狭缝式涂布120-130℃的TPU热熔胶，降温至室温形成第一TPU薄膜绝缘层；
S4、在步骤S1的隔离层的反面用Slot-Die涂布机狭缝式涂布涂布纳米导电材料溶液，风力干燥后，形成厚度为80～180nm的第二导电层；
S5、在步骤S4的第二导电层的另一面用Slot-Die涂布机狭缝式涂布120-130℃的TPU热熔胶，降温至室温形成第二TPU薄膜绝缘层；
S6、在第一导电层和第二导电层的导电材料上引出一对电极，根据所需要的感应范围，进行固化封装。
隔离层为聚氧化乙烯薄膜配合纳米银线，在不同的温度，聚氧化乙烯薄膜的结晶和非结晶的比例是不一样的，因此使得两电极之间电阻发生改变。达到了灵敏度高，有微小的温度变化，就足以有较大的电阻改变，从而检测出温度变化。
对比例1
纳米导电材料溶液为0.3～1.5wt％的银纳米线异丙醇溶液。
S1、将分子量为40-60*104的聚氧化乙烯粒子加热至熔融状态，降温至30-50℃，压制成400-600μm的薄膜，作为隔离层；
S2、在步骤S1的隔离层的正面用Slot-Die涂布机狭缝式涂布纳米导电材料溶液，风力干燥后，形成厚度为80～180nm。的第一导电层；
S3、在步骤S1的第一导电层的另一面用Slot-Die涂布机狭缝式涂布120-130℃的TPU热熔胶，降温至室温形成第一TPU薄膜绝缘层；
S4、在步骤S1的隔离层的反面用Slot-Die涂布机狭缝式涂布涂布纳米导电材料溶液，风力干燥后，形成厚度为80～180nm的第二导电层；
S5、在步骤S4的第二导电层的另一面用Slot-Die涂布机狭缝式涂布120-130℃的TPU热熔胶，降温至室温形成第二TPU薄膜绝缘层；
S6、在第一导电层和第二导电层的导电材料上引出一对电极，根据所需要的感应范围，进行固化封装。
隔离层为聚氧化乙烯薄膜，在不同的温度，因此使得两电极之间电阻发生微小改变，但是灵敏度不高，无法准确检测出温度变化。
Claims (8)
1.一种柔性温度传感器，其特征在于：所述柔性温度传感器包括传感器主体和电极；所述传感器主体从上到下包括第一TPU薄膜绝缘层、第一导电层、隔离层、第二导电层、第二TPU薄膜绝缘层；所述电极从第一导电层或第二导电层上引出，与外置电路连接；所述隔离层为半结晶聚合物与纳米银线的混合物；所述隔离层中，所述纳米银线占所述半结晶聚合物的重量百分比为0.3-0.5％；
所述柔性温度传感器的制备方法，包括以下步骤，
S1、将半结晶聚合物加热至熔融状态，加入纳米银线搅拌均匀，降温至30-50℃，压制成400-600μm的薄膜，作为隔离层；
S2、在步骤S1的隔离层的正面狭缝式涂布纳米导电材料溶液，干燥后，形成第一导电层；
S3、在步骤S2的第一导电层的另一面狭缝式涂布120-130℃的TPU热熔胶，降温至室温形成第一TPU薄膜绝缘层；
S4、在步骤S1的隔离层的反面狭缝式涂布纳米导电材料溶液，干燥后，形成第二导电层；
S5、在步骤S4的第二导电层的另一面狭缝式涂布120-130℃的TPU热熔胶，降温至室温形成第二TPU薄膜绝缘层；
S6、在第一导电层和第二导电层的导电材料上引出一对电极，根据所需要的感应范围，进行固化封装。
2.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于：所述半结晶聚合物为聚氧化乙烯，分子量为40*104-60*104，所述隔离层厚度为400-600μm。
3.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于：所述第一导电层和第二导电层为银纳米线膜，所述银纳米线膜为0.3～1.5wt％的银纳米线异丙醇溶液干燥而成，厚度为80～180nm。
4.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于：所述第一TPU薄膜绝缘层和第二TPU薄膜绝缘层的厚度4.5-120μm。
5.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于：所述纳米银线的直径20-150nm。
6.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于，步骤S1中的半结晶聚合物为聚氧化乙烯，所述熔融状态的温度为120-130℃。
7.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于，步骤S2和S4中的干燥方法为风力干燥。
8.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于，所述步骤S6中固化封装采用UV固化树脂点胶的方法。
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