CN110146198B - 一种柔性自供能压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性自供能压力传感器，包括相互贴附设置的介电摩擦层和水凝胶介电层；介电摩擦层和水凝胶介电层的外侧分别依次设置有电极层和保护层，其中：水凝胶介电层为高分子聚合物和导电液体的混合物；介电摩擦层为摩擦介电高分子材料制成；介电摩擦层与水凝胶介电层的接触面上设置有凸起状的微结构。本发明提供的柔性压力传感器可用于测量结构所受的压力，相比传统压阻传感器、压电传感器和电容传感器，通过自身在受到外界压力来提供电源的构思，使得到的传感器具有柔性、功耗低，灵敏度高且测量时不需要添加电源的优点，本发明提供的柔性压力在可穿戴传感器和结构表面压力测量方面具有较大的潜在应用价值。

Description

一种柔性自供能压力传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性自供能压力传感器。
背景技术
随着科学技术的不断发展，人类社会的智能化程度越来越高，而传感器作为提供信息的主要来源，是物联网、智能设备、无人驾驶等的“心脏”。根据传感原理的不同，目前应用的传感器主要有压电传感器，压阻传感器，电容传感器三类，主要用于检测结构所受的应力、应变、温度、湿度等参数。相比压电和压阻两类传感器，电容传感器具有结构简单、能耗低、动态响应好、不易受环境因素影响等优点，因此被广泛用于航空航天、消费电子、生物传感等重要领域。
传统电容传感器是由两个平行电极组成，极间以空气为介质把被测的机械量转换为电容量的变化[Eaton W P,Staple B D,Smith J H.Capacitance pressure sensor:U.S.Patent6,012,336[P].2000-1-11.]。
经过多年的不断完善和发展，该类制作成本低，稳定性高，且针对这类传感器发展的各种补偿电路完善。但是这类电容传感器主要由硅材料制成，其承受变形能力差，灵敏度低，且其测量电路复杂，需要添加放大电路和滤波电路等，大大的增加了测量成本和后续的维护费用。
近年来，随着电子设备的迅速发展，柔性传感器在可穿戴设备、健康监测以及智能机器人等重要领域的发展潜力得到了广泛的关注和研究。柔性电容传感器主要基于柔性高分子材料易于变形的特点，通过在柔性高分子材料中添加碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒等导电材料作为电容传感器的电极材料，通过测量量柔性电极之间的电容变化检测压力的大小。该类传感器除了具有刚性传感器的特点外还具有优良的柔韧性、延展性以及可以自由弯曲甚至折叠等特点[D.P.J.Cotton,I.M.Graz,S.P.Lacour,A MultifunctionalCapacitive Sensor for Stretchable Electronic Skins,IEEE Sens J 9(2009)2008-9.]。
利用导电高分子材料作为电容传感器电极，虽然可以提高传感器柔性性能，但其灵敏度较低。而为了提高传感器的灵敏度，国内外许多科研工作者通过模具把介电层做成金字塔、多孔、柱状阵列等结构可以有效地提高传感器的灵敏度，但随着外界压力的增大，传感器的量程会大幅降低。而且，上述所有传感器在测量时均需要外加辅助电源，大大的增加了测量成本。因此，发明一种柔性、功耗低，灵敏度高且测量时不需要添加电源的压力传感器具有重要意义。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的问题，本发明提供一种柔性自供能压力传感器，包括相互贴附设置的介电摩擦层和水凝胶介电层；所述介电摩擦层和水凝胶介电层的外侧分别依次设置有电极层和保护层，其中：
所述水凝胶介电层为高分子聚合物和导电液体的混合物；
所述介电摩擦层为摩擦介电高分子材料制成；
所述介电摩擦层与所述水凝胶介电层的接触面上设置有凸起状的微结构；具体所述凸起状可以为半球状结构。
在上述方案的基础上，进一步地，所述保护层可以采用柔性材料制成，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚酰亚胺(PI)，硅胶(Ecoflex)等。
在上述方案的基础上，进一步地，所述导电液体包括含有KOH、NaCl、H3PO4中的至少一种金属盐溶液或离子液体。
在上述方案的基础上，进一步地，所述摩擦介电高分子包括聚二甲基硅氧烷、氟化乙烯丙烯共聚物、硅橡胶中的至少一种。
在上述方案的基础上，进一步地，所述摩擦介电层的制备方法为：
步骤a、将发泡剂与摩擦介电高分子混合，形成混合液；
步骤b、将固化剂加入上述混合液中混合后，涂覆于电极表面，涂覆厚度为0-100微米；具体的，所述涂覆可以采用旋涂仪进行旋涂涂覆，当然也不限于该涂覆方式；进一步地，可以采用硅烷偶联剂作为固化剂使用，当然，本领域技术人员也可以根据该发明构思选用其它类型的固化剂。
步骤c、涂覆后，将电极置于一定温度下保温一段时间，即完成摩擦介电层的制备。
在上述方案的基础上，进一步地，所述发泡剂为摩擦介电高分子重量比的0-5％；优选地，所述发泡剂可以采用聚氟乙烯作为发泡剂，本领域技术人员也可以根据该发明构思选用其它类型的发泡剂。
在上述方案的基础上，进一步地，步骤c中，将电极置于100-200℃下保温0-10小时。
在上述方案的基础上，进一步地，所述水凝胶介电层的制作方法为：
步骤a、将柔性高分子加入去离子水中并在一定温度下保温一段时间；
步骤b、将金属盐或离子液体溶解于去离子水中，形成混合溶液；
步骤c、在上述混合溶液中加入高分子溶液中，并置于室温下固化，即得到水凝胶介电层。
在上述方案的基础上，进一步地，步骤a中，将柔性高分子加入去离子水中并在50-100℃下保温0-10小时。
将水凝胶贴在摩擦介电层表面作为压力传感器的介电层，并在其上下表面安装电极，组成依次为电极-水凝胶-摩擦介电层-电极的电容传感器。
本发明提供的柔性自供能压力传感器，原理如下：当外界压力作用于上电极表面时，凸起状(具体为半球状)的摩擦介电膜受压变形，使其与介电层的接触面积增大。而摩擦介电材料在受压时，其表面会产生电荷。该电荷会吸引存在于介电层中的异性离子，使得在摩擦介电层和水凝胶表面形成一个超级电容器。该超级电容器可以视为一个电源，且其电势大小与摩擦介电层和介电层的接触面积呈正相关。当外界压力撤去时，摩擦介电层表面半球恢复其初始形状，其与介电层的接触面积减小，超级电容器的电势降低。通过上述过程，测量超级电容器电势的大小即可以测出外界压力的大小。
本发明提供的柔性压力传感器可用于测量结构所受的压力，相比传统压阻传感器、压电传感器和电容传感器，通过自身在受到外界压力来提供电源的构思，使得到的传感器具有柔性、功耗低，灵敏度高且测量时不需要添加电源的优点，本发明提供的柔性压力在可穿戴传感器和结构表面压力测量方面具有较大的潜在应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的柔性压力传感器结构示意图；
图2为本发明提供的柔性压力传感器工作原理图；
图3为本发明提供的柔性压力传感器压力测试图。
附图标记：
10介电摩擦层 20水凝胶介电层 30电极层
40保护层 11微结构
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供一种柔性自供能压力传感器，如图1所示包括相互贴附设置的介电摩擦层10和水凝胶介电层20；所述介电摩擦层10和水凝胶介电层20的外侧分别依次设置有电极层30和保护层40，其中：
所述水凝胶介电层20为高分子聚合物和导电液体的混合物；
所述介电摩擦层10为摩擦介电高分子材料制成；
所述介电摩擦层10与所述水凝胶介电层20的接触面上设置有凸起状的微结构11；即介电摩擦层10的表面设置有凸起状的微结构11，水凝胶介电层20与该表面接触设置，具体所述凸起状可以为半球状结构。
在上述方案的基础上，进一步地，所述导电液体包括含有KOH，NaCl，H3PO4的金属盐溶液或离子液体。
在上述方案的基础上，进一步地，所述摩擦介电高分子包括聚二甲基硅氧烷、氟化乙烯丙烯共聚物、硅橡胶中的至少一种。
本发明提供以下柔性自供能压力传感器的制备实施例：
一、制备摩擦介电层：
步骤a、将重量比为1％微球发泡剂(聚氟乙烯)与聚二甲基硅氧烷(PDMS)均匀混合；
步骤b、将固化剂添加于上述混合溶液中；其中，聚二甲基硅氧烷：固化剂＝1:10；所述固化剂为硅烷偶联剂固化剂。
步骤c、将混合好的溶液倒在电极上，并置于旋涂已中以500转/分钟，旋涂1分钟；
步骤d、将硅片置于150℃真空烘箱中保温2小时，在此过程中微球发泡剂受热膨胀，在PDMS膜的表面形成半球的微结构；将固化好的PDMS从硅片表面中取出，即制得摩擦介电层。
二、制备水凝胶介电层
步骤a、将聚乙烯醇(PVA)加入去离子水中，并在80℃下搅拌2小时；
步骤b、将氢氧化钾(KOH)溶解于去离子水中；
步骤c、将氢氧化钾溶液加入聚乙烯醇溶液中搅拌2小时，将聚乙烯醇和氢氧化钾的混合溶液导入模具，并在室温下固化24小时，即得到水凝胶介电层。
三、制备压力传感器
将水凝胶贴在摩擦介电层表面作为压力传感器的介电层，并在其上下表面安装电极，组成依次为保护层-电极-水凝胶-摩擦介电层-电极保护层的压力传感器，即制得本发明提供的柔性自供能压力传感器。
上述方案仅为本发明提供的一种可实施方案，在本发明构思下，可以选用其它可行的摩擦介电高分子、发泡剂、固化剂、导电液体等。
上述实施例制备的柔性自供能压力传感器，在使用过程中，如图2所示，将柔性压力传感器集成于结构表面，当传感器受力的作用时，PDMS微球被压缩，与水凝胶介电层的接触面积增大。根据摩擦生电原理，PDMS在压缩的时候表面会产生电子，且该电子会吸引水凝胶内部的阳离子(K+)，在表面形成一个超级电容器。该超级电容器可以作为一个电源给外部电路供电，且其大小与外界压力呈正相关关系，因此通过测量传感器电势的大小可以计算出作用于传感器的压力大小。
图3为本实施例制备的传感器的压力测试图。该曲线斜率即为传感器的灵敏度(高达300mv/Pa),量程为63kPa。相比传统压阻传感器、压电传感器和电容传感器，本发明提供的传感器不仅不需要额外的电源，而且灵敏底高，在可穿戴传感器和结构表面压力测量方面具有较大的潜在应用价值。
尽管本文中较多的使用了诸如介电摩擦层、水凝胶介电层、电极层、保护层、微结构等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种柔性自供能压力传感器，其特征在于：包括相互贴附设置的介电摩擦层和水凝胶介电层；所述介电摩擦层和水凝胶介电层的外侧分别依次设置有电极层和保护层，其中：
所述水凝胶介电层为高分子聚合物和导电液体的混合物；
所述介电摩擦层为摩擦介电高分子材料制成；
所述介电摩擦层与所述水凝胶介电层的接触面上设置有凸起状的微结构；
所述保护层采用柔性材料制成；
所述水凝胶介电层的制作方法为：
步骤a、将柔性高分子加入去离子水中并在一定温度下保温一段时间；
步骤b、将金属盐或离子液体溶解于去离子水中，形成混合溶液；
步骤c、在上述混合溶液中加入高分子溶液中，并置于室温下固化，即得到水凝胶介电层；
所述步骤a中，将柔性高分子加入去离子水中并在50-100℃下保温0-10小时；
所述介电摩擦层的制备方法为：
步骤a、将发泡剂与摩擦介电高分子混合，形成混合液；
步骤b、将固化剂加入上述混合液中混合后，涂覆于电极表面，涂覆厚度为0-100微米；
步骤c、涂覆后，将电极置于一定温度下保温一段时间，即完成摩擦介电层的制备；
其中步骤a中，所述发泡剂为摩擦介电高分子重量比的0-5%。
2.根据权利要求1所述的柔性自供能压力传感器，其特征在于：所述保护层采用的柔性材料包括聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺和硅胶中的一种。
3.根据权利要求1所述的柔性自供能压力传感器，其特征在于：所述导电液体包括含有KOH、NaCl、H3PO4中的至少一种金属盐溶液或离子液体。
4.根据权利要求1所述的柔性自供能压力传感器，其特征在于：所述摩擦介电高分子包括聚二甲基硅氧烷、氟化乙烯丙烯共聚物、硅橡胶中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的柔性自供能压力传感器，其特征在于：所述固化剂为硅烷偶联剂固化剂。
6.根据权利要求1所述的柔性自供能压力传感器，其特征在于：步骤c中，将电极置于100-200℃下保温0-10小时。
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