CN110398259B - 多感知功能的柔性传感器件及制备方法 - Google Patents

多感知功能的柔性传感器件及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多感知功能的柔性传感器件及其制备方法，其中多感知功能柔性传感器件包括表面封装层，电极层和多感知功能层，多感知功能层包括电子‑电极层‑离子凝胶层‑电子‑电极层；在多感知功能层中的上下两个电子‑电极层的两端分别固定一根导电金属铜线并引出，共计四根金属导电铜线Top+，Top‑，Bottom+，Bottom‑。通过选择不同的电极，本发明可以工作于压力，拉伸和弯曲等多种感知模式下，此外，本发明提供了一种该多感知功能柔性传感器件的制备方法，制备过程简单，成本低，易于批量生产。本发明的多感知功能柔性传感器件能够实现多模式感知，具有高灵敏度，快速响应与恢复，低压力检测阈值的优点。

Description

多感知功能的柔性传感器件及制备方法
技术领域
本发明涉及传感器及其制备，具体涉及一种多感知功能的柔性传感器件及制备方法。
背景技术
面对越来越多的特殊信号和特殊环境，新型传感器技术已向以下趋势发展：开发新材料、新工艺和开发新型传感器；实现传感器的集成化和智能化；实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化；与其它学科的交叉整合的传感器。
同时希望传感器还能够具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。随着柔性基质材料的发展，满足上述各类趋势特点的柔性传感器在此基础上应运而生。而通过利用柔性材料制成的柔性传感器，具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂被测量进行检测。
目前的柔性传感器按感知原理分为柔性电阻式传感器、柔性电容式传感器、柔性压磁式传感器和柔性电感式传感器等，其中，离子材料，如离子凝胶和离子液体，由于其具有良好的柔性、可拉伸性和透明度，在柔性可穿戴传感领域具有应用潜力。离子材料中含有大量阳离子和阴离子，在和电极接触时可以在界面处形成被称为双电层的超电容层，这一特性既可以应用于储能领域，也可以作为的电容式传感器中的压力感知电容功能层。但是目前的柔性传感器大多是只具有单一功能，不能满足未来需求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种多感知功能的柔性传感器件及制备方法，解决功能单一，不能满足需求的问题。
技术方案：本发明所述的多感知功能的柔性传感器件，包括自上而下叠放的顶封装层、电极层、顶电子电极层、离子凝胶层、底电子电极层和底封装层，所述顶电子电极层和底电子电极层采用硅/AgNFs/MXene复合材料组成。
所述离子凝胶层采用水凝胶和用于超级电容器的离子溶液组成。
所述顶电子电极层和底电子电极层两侧均连接有导电金属铜线。
所述顶封装层和底层封装层采用聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、硅橡胶、橡胶或聚酰亚胺中任意一种制成。
本发明所述的多感知功能的柔性传感器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用具有表面特殊微结构的模具，通过匀胶技术将硅胶均匀的分布在模具上，待固化制备的表面高度呈二维无序高斯分布的柔性弹性层；
(2)利用喷涂奖预先配置好的AgNFs/MXene均匀的喷涂在硅胶柔性弹性层的微结构表面，之后恒温干燥，制备成电子-电极层；
(3)将PVA溶解在水中，按质量比为10:0.5～10：1添加[EMIM][TFSI]，搅拌均匀，之后放在固定大小的长方体模具中，添加助凝剂，待充分固化后形成离子凝胶；
(4)在上下两个电子电极层的两端分别固定一根导电金属铜线并引出，共计四根金属导电铜线Top+，Top-,，Bottom+，Bottom-；
(5)将电子-电极层，离子凝胶层，电子-电极层和表面封装层装配为多感知功能的柔性传感器件；
其中，所述步骤(5)具体为：将商用PDMS的A胶和B胶按10:1的质量比混合，搅拌均匀，旋涂于玻璃上后，置于恒温干燥台上固化成弹性PDMS薄膜，改变匀胶的转速和时间控制薄膜厚度在150-200微米之间，最终制作的得到封装层，作为顶封装层和底封装层；将顶电子电极层完整粘贴于水溶性胶带之上后，将顶电子电极层贴于顶封装层上，再用水将该胶带完全溶解，电极层与底封装层通过范德华力固定在一起，称为顶层，同样的方法将底封装层和底电子电极层封装为底层；将顶层和底层凸起结构表面四周涂抹粘胶体，采用面对面组装方式将离子凝胶固定在顶层和底层之间，等到胶体固化，即可得到多感知功能的柔性传感器件。
有益效果：本发明具有对压力、拉伸、弯曲多种模式的感知功能，能够实现利用单一器件通过对不同的电极输出分析，得到不同的感知模式；本发明采用电极-离子形成的双电层作为电容式传感器的工作原理，能感知更小的压力，灵敏度更高；本发明的硅胶电子-电极层在特殊表面微结构下，能够实现对电压的线性感知能力；本发明通过分时复用电极接口可以节省芯片接口数量，也可以节省传感器的数量，降低成本，满足未来柔性器件集成化，小型化，多功能化的要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是电子-电极层硅胶表面微结构示意图；
图3是本发明后端电路设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，多感知功能的柔性传感器件，由5层结构组成，自上而下包括顶封装层、顶电子电极层、离子凝胶层、底电子电极层和底封装层。
其中，顶电子-电极层和底电子-电极层结构如图2所示，用材料为硅胶/AgNFs/MXene复合纳米材料，其中在硅胶薄膜的一面具有凸起凹陷结构的表面微结构，在具有凸起凹陷微结构的一面均匀的布置AgNFs/MXene符合纳米导电材料作为压力感知的电子-电极层和拉伸，弯曲的形变感知层。
离子凝胶层采用材料为PVA水凝胶和[EMIM][TFSI]的复合纳米材料，由两者按一定比例混合搅拌后，由助凝剂催化凝固得到，作为压力感知的离子凝胶层。
顶封装层和底封装层采用厚度为200微米的PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄层，主要起到保护和电绝缘的作用。
电子-电极层中的电极层采用导电金属纳米铜线，将顶电子-电极层和底电子-电极层两端分别固定一根导电金属铜线并引出，共计四根金属导电铜线Top+,Top-,Bottom+,Bottom-。
如图3所示的后端硬件电路设计原理，通过选择不同的开关闭合，可以选择不同的工作模式，具体地工作模式和对应的开关闭合如下：
(1)Top+和Bottom+闭合
此时，多感知功能柔性传感器件工作于压力感知模式下，电子-电极层和离子凝胶层形成双电层的微纳米级别的平行板电容单元，当施加压力时，双电层的接触面积增大，平行板电容单元间距离急剧下降，导致双电层宏观电容的增大，因而，通过电容变化表征压力的大小。进而，微集成芯片通过分析两电极Top+和Bottom+之间的电容变化率既可以得到压力的大小。
(2)Top+,Top-闭合或Bottom+,Bottom-闭合
此时，多感知功能柔性传感器件工作于拉伸感知模式下，在拉伸作用下，电子-电极层会产生微裂缝，导致两电极之间导电通路降低，电阻增大，并且，拉伸程度越大，产生的裂缝越多，导致电阻增大的越多。因而通过两电极间电阻的变化来表征拉伸程度的大小。进而，微集成芯片通过分析两电极Top+,Top-或Bottom+,Bottom-之间的电阻变化率既可以得到拉伸的形变量。
(3)Top+,Top-和Bottom+,Bottom-皆闭合
此时，多感知功能柔性传感器件工作于拉伸感知模式下，其中Top+,Top-作为一对数据采集源，Bottom+,Bottom-作为一对数据采集源。在不同的弯曲方向下，两对电极输出电阻的变化率不同。假设向顶电子-电极层方向弯曲，则顶电子-电极层会在结构表面处于拉伸状态而产生裂缝，导致电阻增大，且随弯曲角度的增大而增大；相反地，底电子-电极层在硅胶表面处会处于挤压状态，导致电阻减小，且随弯曲角度的增大而减小。因此，通过分析两对电极输出的电阻变化率不仅可以表征弯曲程度，还会表征弯曲方向。进而，微集成芯片通过分析两对电极Top+,Top-和Bottom+,Bottom-之间的电阻变化率来得到弯曲程度和弯曲方向。
本发明多感知功能柔性传感器件中其中一种制备方法：
(1)多感知功能层的制备
制备微结构模具：将砂纸固定在玻璃片上，使砂纸微结构的一面朝上制备具有微结构的硅胶：将双组分的商用硅胶产品混合，搅拌均匀后，匀胶于模具上，置于恒温干燥台上固化成弹性薄膜，改变匀胶的转速和时间控制薄膜厚度为300微米左右。
硅胶水中转印：从砂纸上剥离下硅胶薄膜，浸入水中，待硅胶薄膜漂浮在水面上，使得微结构面朝上，在另一面下方放置玻璃板，缓慢从下到上移动，使得两接触面接触，保证两接触面之间没有气泡，之后将两者从水中缓慢捞起。
制备电子层：采用喷涂工艺将预先配置的AgNFs/MXene分散液喷涂到固化后的硅胶，然后在40摄氏度的恒温干燥炉上干燥，重复喷涂-干燥一定次数后，在硅胶表面制备一层厚度合适且均匀的AgNFs/MXene纳米复合材料。
制备离子凝胶层：将PVA，EMIM][TFSI]按质量比10:1混合，搅拌均匀，之后，放在具有固定大小的长方体模具中，添加助凝剂，待充分固化后形成离子凝胶。
(2)电极层的制备
电极层选用导电铜线，将导电铜线利用导电单面铜带分别固定在在多感知功能层中的上下两个电子层的两端并引出，共计四根金属导电铜线Top+,Top-,Bottom+,Bottom，制备成电子-电极层。
(3)顶、底封装层的制备
将商用PDMS的A胶和B胶按质量比10:1混合，搅拌均匀后，旋涂于玻璃上后，置于恒温干燥台上固化成弹性PDMS薄膜，改变匀胶的转速和时间控制薄膜厚度为200微米，最终制作的两片封装层，作为顶封装层和底封装层。
(4)装配多感知功能柔性传感器件
将顶电子-电极层完整粘贴于水溶性胶带之上后，将顶电子-电极层贴于顶封装层上，再用水将该胶带完全溶解，电极层与底封装层通过范德华力固定在一起，称为顶层。注意，硅胶上表面不能接触水。同样的方法将底封装层和底电子-电极层封装为底层。之后将顶层和底层凸起结构表面四周涂抹粘胶体，采用面对面组装方式将离子凝胶固定在顶层和底层之间，等到胶体固化，制备三明治夹层结构的多感知功能柔性传感器件。

Claims (5)

1.一种多感知功能的柔性传感器件，其特征在于，包括自上而下叠放的顶封装层(1)、顶电子电极层(2)、离子凝胶层(3)、底电子电极层(4)和底封装层(5)，所述顶电子电极层(2)和底电子电极层(4)采用硅/AgNFs/MXene复合材料组成，所述顶电子电极层和底电子电极层两侧均连接有导电金属铜线以引出电接口Top+，Top-,Bottom+，Bottom-，工作时，Top+和Bottom+闭合，多感知功能柔性传感器件工作于压力感知模式下，电子-电极层和离子凝胶层形成双电层的微纳米级别的平行板电容单元，过电容变化表征压力的大小；Top+,Top-闭合或Bottom+,Bottom-闭合，工作于拉伸感知模式下，电子-电极层会产生微裂缝，导致两电极之间导电通路降低，电阻增大，通过两电极间电阻的变化来表征拉伸程度的大小；Top+,Top-和Bottom+,Bottom-皆闭合，工作于弯曲感知模式下，在不同的弯曲方向下，两对电极输出电阻的变化率不同，通过两对电极输出的电阻变化率表征弯曲程度和弯曲方向。
2.根据权利要求1所述的多感知功能的柔性传感器件，其特征在于，所述离子凝胶层(3)采用水凝胶和用于超级电容器的离子溶液组成。
3.根据权利要求1所述的多感知功能的柔性传感器件，其特征在于，所述顶封装层和底层封装层采用聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、硅橡胶、橡胶或聚酰亚胺中任意一种制成。
4.如权利要求1-3任一项所述的多感知功能的柔性传感器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用具有表面特殊微结构的模具，通过匀胶技术将硅胶均匀的分布在模具上，待固化制备的表面高度呈二维无序高斯分布的柔性弹性层；
(2)利用喷涂将 预先配置好的AgNFs/MXene均匀的喷涂在硅胶柔性弹性层的微结构表面，之后恒温干燥，制备成电子-电极层；
(3)将PVA溶解在水中，添加[EMIM][TFSI]，两者的质量比为10:0.5～10：1.5，搅拌均匀，之后放在固定大小的长方体模具中，添加助凝剂，待充分固化后形成离子凝胶；
(4)在上下两个电子电极层的两端分别固定一根导电金属铜线并引出，共计四根金属导电铜线Top+，Top-,Bottom+，Bottom-；
(5)将电子-电极层，离子凝胶层，电子-电极层和表面封装层装配为多感知功能的柔性传感器件。
5.根据权利要求4所述的多感知功能的柔性传感器件的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：将商用PDMS的A胶和B胶按10:1的质量比混合，搅拌均匀，旋涂于玻璃上后，置于恒温干燥台上固化成弹性PDMS薄膜，改变匀胶的转速和时间控制薄膜厚度在150-200微米之间，最终制作的得到封装层，作为顶封装层和底封装层；将顶电子电极层完整粘贴于水溶性胶带之上后，将顶电子电极层贴于顶封装层上，再用水将该胶带完全溶解，电极层与底封装层通过范德华力固定在一起，称为顶层，同样的方法将底封装层和底电子电极层封装为底层；将顶层和底层凸起结构表面四周涂抹粘胶体，采用面对面组装方式将离子凝胶固定在顶层和底层之间，等到胶体固化，即可得到多感知功能的柔性传感器件。
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