CN108981981B - 一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器、及其制备方法 - Google Patents
一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器、及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器、及其制备方法，该传感器，包括由下至上依次排列的第一PDMS薄膜层、掺杂SnO2纳米导电网络层、电极、以及第二PDMS薄膜层，具体包括以下步骤：S1)、制备掺杂SnO2纳米导电网络前驱体；S2)、制备掺杂SnO2纳米导电网络；S3)、涂覆第一PDMS薄膜层；S4)、剥离衬底；S5)镀电极；S6)制备第二PDMS薄膜层；本发明所需的设备成熟，工艺简单，方便规模化生产；本发明所使用的衬底可以多次反复使用，有利于降低生产成本；掺杂SnO2纳米导电网络具有较好的透明性，有利于提高器件的透明性；掺杂SnO2纳米导电网络不怕氧化，导电性能可以长时间保持稳定不变，有利于提高器件的稳定性和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器技术领域，尤其是一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器、及其制备方法。
背景技术
常规压力传感器作为采集控制点压力数据的专用器件，常用的压力传感器种类繁多，按敏感机理不同主要分为压阻式、压电式、电容式、光传感器式、磁传感式、超生传感式和机械传感式等。理想的压力传感器，应该具有成本低廉、制备简单和耐用性强等特点。
常规压力传感器在电力、汽车、家居、工业制造等行业具有广泛的应用前景，但是常规压力传感器大都基于硬性的支撑衬底，不适用于大面积或不规则表面的压力检测，存在加工成本高、流程复杂等问题，而且现有的压力传感器导电性能、以及响应性能差，无法满足需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器、及其制备方法。
本发明的技术方案为：一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器，包括由下至上依次排列的第一PDMS薄膜层、掺杂SnO2纳米导电网络层、电极、以及第二PDMS薄膜层。
进一步的，所述的掺杂SnO2纳米导电网络层的纳米纤维的直径为10-900nm。
进一步的，所述掺杂SnO2纳米导电网络层掺杂的元素为Sb或者F。
本发明还提供一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1)、制备掺杂SnO2纳米导电网络前驱体，使用静电纺丝在干净的ZnO/衬底上制备掺杂 SnO2纳米导电网络前驱体；
S2)、制备掺杂SnO2纳米导电网络：将步骤S1)制备的掺杂SnO2纳米导电网络前驱体样品转移至箱式电阻炉中，以5-15℃/min的速率将衬底温度升温到400-800℃，保温2-10h，使掺杂SnO2纳米导电网络前驱体全部烧结为掺杂SnO2纳米导电网络；
S3)、涂覆第一PDMS薄膜层：在室温下将PDMS前驱体溶液涂覆到掺杂SnO2纳米导电网络上，并在100-120℃下固化0.5-2小时，得到第一PDMS薄膜层；
S4)、剥离衬底：使用浓度为0.01-0.2mol/L的醋酸溶液浸泡30-300s，即可将掺杂SnO2纳米导电网络、PDMS复合薄膜从衬底上剥离出来；
S5)镀电极：在掺杂SnO2纳米导电网络/PDMS复合薄膜两端上涂覆导电银浆或者透明导电胶带，并引出连接导线，得到电极；
S6)制备第二PDMS薄膜层：采用喷雾成膜的方法在掺杂SnO2纳米导电网络和电极上均匀形成一层厚度为0.2-1μm的第二PDMS薄膜层。
进一步的，步骤S1)中，ZnO薄膜的尺寸为2-10nm，衬底为Si、蓝宝石、石英、玻璃、耐弱酸腐蚀的金属片中的任意一种。
进一步的，步骤S1)中，具体工艺为：将0.4-0.8g氯化锡(SnCl2·2H2O)和4.4-10g二甲基甲酰胺(DMF)溶解到4.4-15g乙醇溶液中，充分搅拌0.2-2h；再将0.8-2g聚乙烯吡咯烷酮和0.005-0.02g氟化钠(NaF)溶解于上述溶液，充分搅拌0.2-2h；然后将前驱液注入玻璃注射器中，加上7.5-10kV高电压，均匀挤出形成电纺丝。
进一步，步骤S3)中，具体涂覆工艺为：300-500rps的速率下，涂覆30-60s，然后将转速调整为1500-2000rps，接着涂覆10-20s，接着将转速调大至5000-6000rps，再涂覆60-120s；在涂覆过程中，滴加10-20滴PDMS前驱体，即可在掺杂SnO2纳米导电网络上获得均匀的 PDMS薄膜。
进一步的，步骤S3)中，第一PDMS薄膜层的厚度为0.5-100μm。
本发明的有益效果为：
1、本发明所需的设备成熟，工艺简单，方便规模化生产；
2、本发明所使用的衬底可以多次反复使用，有利于降低生产成本；
3、掺杂SnO2纳米导电网络具有较好的透明性，有利于提高器件的透明性；
4、掺杂SnO2纳米导电网络不怕氧化，导电性能可以长时间保持稳定不变，有利于提高器件的稳定性和寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的掺杂SnO2纳米导电网络的SEM图；
图2为本发明实施例1制备的掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器的应变-电阻率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例1
一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1)、制备掺杂SnO2纳米导电网络前驱体，使用静电纺丝在干净的ZnO/Si衬底上制备掺杂SnO2纳米导电网络前驱体；
S2)、制备掺杂SnO2纳米导电网络：将步骤S1)制备的掺杂SnO2纳米导电网络前驱体样品转移至箱式电阻炉中，以5℃/min的速率将衬底温度升温到700℃，保温4h，使掺杂SnO2纳米导电网络前驱体全部烧结为掺杂SnO2纳米导电网络；
S3)、涂覆第一PDMS薄膜层：在室温下将PDMS前驱体溶液涂覆到掺杂SnO2纳米导电网络上，并在100℃下固化1小时，得到厚度为80μm的第一PDMS薄膜层，具体的工艺为：300rps的速率下，涂覆60s，然后将转速调整为1500rps，接着涂覆20s，接着将转速调大至6000rps，再涂覆120s；在涂覆过程中，滴加20滴PDMS前驱体，即可在掺杂SnO2纳米导电网络上获得均匀的PDMS薄膜；
S4)、剥离衬底：使用浓度为0.01mol/L的醋酸溶液浸泡150s，即可将掺杂SnO2纳米导电网络、PDMS复合薄膜从衬底上剥离出来；
S5)镀电极：在掺杂SnO2纳米导电网络/PDMS复合薄膜两端上涂覆导电银浆或者透明导电胶带，并引出连接导线，得到电极；
S6)制备第二PDMS薄膜层：采用喷雾成膜的方法在掺杂SnO2纳米导电网络和电极上均匀形成一层厚度为0.2μm的第二PDMS薄膜层。
实施例2
一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1)、制备掺杂SnO2纳米导电网络前驱体，使用静电纺丝在干净的ZnO/Si衬底上制备掺杂SnO2纳米导电网络前驱体；
S2)、制备掺杂SnO2纳米导电网络：将步骤S1)制备的掺杂SnO2纳米导电网络前驱体样品转移至箱式电阻炉中，以15℃/min的速率将衬底温度升温到800℃，保温2h，使掺杂SnO2纳米导电网络前驱体全部烧结为掺杂SnO2纳米导电网络；
S3)、涂覆第一PDMS薄膜层：在室温下将PDMS前驱体溶液涂覆到掺杂SnO2纳米导电网络上，并在100℃下固化1小时，得到厚度为70μm的第一PDMS薄膜层，具体的工艺为：500rps的速率下，涂覆60s，然后将转速调整为2000rps，接着涂覆20s，接着将转速调大至5000rps，再涂覆120s；在涂覆过程中，滴加20滴PDMS前驱体，即可在掺杂SnO2纳米导电网络上获得均匀的PDMS薄膜；
S4)、剥离衬底：使用浓度为0.01mol/L的醋酸溶液浸泡150s，即可将掺杂SnO2纳米导电网络、PDMS复合薄膜从衬底上剥离出来；
S5)镀电极：在掺杂SnO2纳米导电网络/PDMS复合薄膜两端上涂覆导电银浆或者透明导电胶带，并引出连接导线，得到电极；
S6)制备第二PDMS薄膜层：采用喷雾成膜的方法在掺杂SnO2纳米导电网络和电极上均匀形成一层厚度为0.2μm的第二PDMS薄膜层。
图1为实施例1制备的掺杂SnO2纳米导电网络的SEM图，从图1中可以看出，掺杂SnO2纳米导电网络为一体化的，直径为120-400nm，这为提高柔性器件的透明性奠定了基础；图2是应用实施例1制备的掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器应变-电阻率曲线图；从图2中可以看出，紫外透射光谱测试表明，柔性压力传感器的透过率为85％以上，由此可知，基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器具有良好的透明性和电学性能。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (5)
1.一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器的制备方法，所述的透明柔性压力传感器包括由下至上依次排列的第一PDMS薄膜层、掺杂SnO2纳米导电网络层、电极、以及第二PDMS薄膜层；
其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
S1)、制备掺杂SnO2纳米导电网络前驱体，使用静电纺丝在干净的ZnO/衬底上制备掺杂SnO2纳米导电网络前驱体；
具体工艺为：将0.4-0.8g氯化锡SnCl2·2H2O和4.4-10g二甲基甲酰胺DMF溶解到4.4-15g乙醇溶液中，充分搅拌0.2-2h；再将0.8-2g聚乙烯吡咯烷酮和0.005-0.02g氟化钠NaF溶解于上述溶液，充分搅拌0.2-2h；然后将前驱液注入玻璃注射器中，加上7.5-10kV高电压，均匀挤出形成电纺丝；
S2)、制备掺杂SnO2纳米导电网络：将步骤S1)制备的掺杂SnO2纳米导电网络前驱体样品转移至箱式电阻炉中，以5-15℃/min的速率将衬底温度升温到400-800℃，保温2-10h，使掺杂SnO2纳米导电网络前驱体全部烧结为掺杂SnO2纳米导电网络；
S3)、涂覆第一PDMS薄膜层：在室温下将PDMS前驱体溶液涂覆到掺杂SnO2纳米导电网络上，并在100-120℃下固化0.5-2小时，得到第一PDMS薄膜层；
具体涂覆工艺为：300-500rps的速率下，涂覆30-60s，然后将转速调整为1500-2000rps，接着涂覆10-20s，接着将转速调大至5000-6000rps，再涂覆60-120s；在涂覆过程中，滴加10-20滴PDMS前驱体，即可在掺杂SnO2纳米导电网络上获得均匀的PDMS薄膜；
S4)、剥离衬底：使用浓度为0.01-0.2mol/L的醋酸溶液浸泡30-300s，即可将掺杂SnO2纳米导电网络、PDMS复合薄膜从衬底上剥离出来；
S5)镀电极：在掺杂SnO2纳米导电网络/PDMS复合薄膜两端上涂覆导电银浆或者透明导电胶带，并引出连接导线，得到电极；
S6)制备第二PDMS薄膜层：采用喷雾成膜的方法在掺杂SnO2纳米导电网络和电极上均匀形成一层厚度为0.2-1μm的第二PDMS薄膜层。
2.根据权利要求1所述的一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：所述的掺杂SnO2纳米导电网络层的纳米纤维的直径为10-900nm。
3.根据权利要求2所述的一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：所述掺杂SnO2纳米导电网络层掺杂的元素为Sb或者F。
4.根据权利要求1所述的一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：步骤S1)中，ZnO薄膜的尺寸为2-10nm，衬底为Si、蓝宝石、石英、玻璃、耐弱酸腐蚀的金属片中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于掺杂SnO2纳米导电网络的透明柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：第一PDMS薄膜层的厚度为0.5-100μm。
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