CN110411640B - 一种三维柔性力电传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三维柔性力电传感器及制备方法，本发明一种三维柔性力电传感器包括一个均匀分布Ag纳米材料的GrF导电骨架结构，本发明。在三维GrF导电骨架中原位水热生长得到均匀分布的Ag纳米结构。Ag纳米结构的引入，既可作为微触手，拓宽力电传感范围，提高灵敏度；又可削弱温度对器件电阻的干扰，得到稳定、可靠的电阻输出信号；同时还增加了复合结构的比表面积，有利于热能的加速传导。

Description

一种三维柔性力电传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种传感器，具体涉及一种三维柔性力电传感器及制备方法。
背景技术
力电传感器作为一类基础的电子元器件，可以完成力学信号到电学信号的映射，是智能电子皮肤的重要功能单元。敏感材料作为力电传感器的主要物质基础，是力电传感技术升级的重要支撑。传统的力电敏感材料大多采用金属或合金薄片，受其固有力、电属性的限制，在传感性能方面进一步改良的空间越来越小。同时器件可穿戴、智能化的发展趋势也对敏感材料的柔性、生物相容性和多功能化提出了更高的要求。以石墨烯(GrF)为代表的绿色碳纳米材料因具有优异的导电性和导热性、良好的机械强度以及拉伸性能，近年来在柔性力电传感领域备受青睐，常直接用作敏感材料或复合材料中的导电相。
尽管基于GrF的力电传感器研究发展迅速，但其存在两类不容忽视的问题：(1)GrF存在显著的电流热效应，而目前关于其对力电传感的负面影响与解决策略的研究报道极少。碳材料的电阻温度系数(TCR)为负值，这意味着材料温度的升高将引起电阻的明显降低，而其优异的导电能力使电流的热效应更加明显，这将引起器件电阻的非预期性波动，具体表现为恒定应变下，对应的电阻信号不稳定，而是随测量时间持续降低。这势必造成器件对力学信号监测结果的可靠性降低，极大地限制了碳基柔性力电传感器的实际应用。(2)基于GrF的力电传感器功能单一，不符合智能化、多功能化的发展导向。器件多功能化的实现主要有两条技术路径：单个传感器的多功能化、不同功能单元的集成。后者对制作工艺和成本要求较高，因而发展单个器件的多功能化是较为可行的技术手段。目前GrF在力电传感器中的研究主要侧重其力电传感性能，对其他功能开发极少。以智能电子皮肤为例，目前仅有健康检测功能，将治疗与健康检测集于一体的研究却鲜少报道。因此，针对基于GrF的敏感材料的研发及其力、电、热的多功能化设计，对构筑新型智能力电传感器具有重要意义。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种三维柔性力电传感器及制备方法。
该三维复合结构为两步生长法制备的Ag/GrF立体结构。设计思路以隔绝温度场对电信号的影响为切入点，采用TCR值与GrF相反的Ag纳米材料与之复合，有效降低复合结构的TCR值，得到电学性能对温度不敏感的复合结构。既“屏蔽”了电流热效应对力电传感结果的干扰，又提高了电能到热能的转化速率，可有效缩短复合结构的电致发热时间，有利于实现该复合结构的智能热疗功能。
一种三维柔性力电传感器，包括一个均匀分布Ag纳米材料的GrF导电骨架结构。
作为优选，所述的GrF导电骨架结构采用镍泡沫为生长基底通过化学气相法进行制备。
作为优选，所述的GrF导电骨架结构为20mm×10mm×1.6mm的长方体。
作为优选，所述GrF导电骨架为中空结构，壁厚为1-2层碳原子层厚度，骨架中分布大小不一的不规则微型孔洞，孔洞尺寸在500μm以内。
作为优选，所述Ag纳米材料为粒径小于10μm的微米颗粒与纳米线的混合物，采用原位水热生长法制备。
作为优选，所述GrF导电骨架采用还原氧化工艺进行制备。
作为优选，GrF导电骨架为其他层数的GrF、三维结构的碳纳米管或者其他碳纳米材料骨架结构。
作为优选，所述Ag纳米材料为原子层沉积技术生长的阵列结构，Ag纳米材料可替换为铂或金纳米材料。
一种三维柔性力电传感器的制备方法，其特征在于：
步骤一：在镍泡沫生长基底上通过CVD法生长，生长产物经过稀盐酸刻蚀后，内层镍泡沫被溶解移除，得到GrF导电骨架；
步骤二：在GrF导电骨架上，通过原位水热生长，得到Ag纳米线在GrF骨架上表面联结成网，金属纳米颗粒被网缚在金属纳米线和GrF导电骨架之间；
步骤三：GrF导电骨架两侧设有两个外接金属电极，两个外接电极通过导线引出；
步骤四：填充聚合物；得到三维柔性力电传感器。
作为优选，所述金属电极为银胶电极。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种可用于智能力电传感的三维复合结构的设计方案及制备方法，在三维GrF导电骨架中原位水热生长得到均匀分布的Ag纳米结构。Ag纳米结构的引入，既可作为微触手，拓宽力电传感范围，提高灵敏度；又可削弱温度对器件电阻的干扰，得到稳定、可靠的电阻输出信号；同时还增加了复合结构的比表面积，有利于热能的加速传导。
附图说明
图1为本发明基于Ag/GrF复合结构的智能力电传感器示意图；
图2为本发明一个实施例中Ag/GrF复合结构的微观形貌表征图；
图3为本发明实施例中智能力电传感器的力电响应图；
图4为本发明实施例中智能力电传感器的电热响应图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明提供一种可用于智能力电传感的三维复合结构的设计方案,包含：导电GrF骨架1，所述GrF骨架为1-2层碳原子厚度的空心骨架，在镍泡沫生长基底上通过CVD法生长，生长产物经过稀盐酸刻蚀后，内层镍泡沫被溶解移除；线状金属纳米材料2，所述线状金属纳米材料为Ag纳米线，以GrF骨架1为生长基底通过原位水热生长获得，在GrF骨架1的表面联结成网；颗粒状金属纳米材料3，所述颗粒状金属纳米材料为粒径小于10μm的Ag微米颗粒，在线状金属纳米材料2的初期生长阶段产生，被网缚在金属纳米材料2和GrF骨架1之间；聚合填充物4，所述聚合填充物为环氧树脂，采用A、B两种组分按1:1体积比混合后，倒入三维复合结构中，在常温常压下固化，固化时间不少于4小时；金属电极，所述金属电极为银胶电极5，制作于聚合填充物4之前；外接导线6，所述外接导线为铜导线，被银胶电极固定于导电GrF骨架1的两端。
参见图2，所述三维柔性应变传感器的力电传感工作原理为导电GrF骨架的断裂(拉伸)-接触(松弛)往复行为，引起其导电能力的规律性变化，从而实现力学信号与电学信号的一一对应。所述三维柔性应变传感器的电致加热工作原理为导电GrF骨架的电流热效应，即通电导体会将部分电能转化为热能，并传导至导体表面。Ag纳米材料的引入，可作为微触手，使复合结构在较小拉伸应变下即产生断裂，引起电阻信号的显著变化；又可降低复合结构的TCR值，削弱温度对器件电阻的干扰，得到稳定、可靠的电阻输出信号；同时还增加了复合结构的比表面积，有利于热能的加速传导。
参见图3，复合结构的传感器对拉伸应变有明显的电阻响应特性，应变量越大，电阻变化越明显；并且在恒定应变下，对应的电阻信号十分稳定，不随测量时间的延长而持续降低。
参见图4，复合结构的传感器在外加直流电压下可快速加热，加热时间仅为几秒或者几十秒，加热温度随直流电压的增加而增大，且会趋于稳定值。
所述聚合填充物还可以是其他高分子弹性体，比如PDMS、橡胶等。
所述金属电极和外接导线的金属材料可以选自下列材料：银、铂或者金。

Claims (9)

1.一种三维柔性力电传感器，其特征在于：一个均匀分布Ag纳米材料的GrF导电骨架结构；
所述三维柔性力电传感器的制备方法为：
步骤一：在镍泡沫生长基底上通过CVD法生长，生长产物经过稀盐酸刻蚀后，内层镍泡沫被溶解移除，得到GrF导电骨架；
步骤二：在GrF导电骨架上，通过原位水热生长，得到Ag纳米线在GrF骨架上表面联结成网，金属纳米颗粒被网缚在金属纳米线和GrF导电骨架之间；
步骤三：GrF导电骨架两侧设有两个外接金属电极，两个外接电极通过导线引出；
步骤四：填充聚合物；得到三维柔性力电传感器。
2.根据权利要求1所述的一种三维柔性力电传感器，其特征在于：所述的GrF导电骨架结构采用镍泡沫为生长基底通过化学气相法进行制备。
3.根据权利要求1所述的一种三维柔性力电传感器，其特征在于：所述的GrF导电骨架结构为20mm×10mm×1.6mm的长方体。
4.根据权利要求1所述的一种三维柔性力电传感器，其特征在于：所述GrF导电骨架为中空结构，壁厚为1-2层碳原子层厚度，骨架中分布大小不一的不规则微型孔洞，孔洞尺寸在500μm以内。
5.根据权利要求1所述的一种三维柔性力电传感器，其特征在于：所述Ag纳米材料为粒径小于10μm的微米颗粒与纳米线的混合物，采用原位水热生长法制备。
6.根据权利要求1所述的一种三维柔性力电传感器，其特征在于：所述GrF导电骨架采用还原氧化工艺进行制备。
7.根据权利要求1所述的一种三维柔性力电传感器，其特征在于：GrF导电骨架为其他层数的GrF、三维结构的碳纳米管或者其他碳纳米材料骨架结构。
8.根据权利要求1所述的一种三维柔性力电传感器，其特征在于：所述Ag纳米材料为原子层沉积技术生长的阵列结构，Ag纳米材料可替换为铂或金纳米材料。
9.根据权利要求1所述的一种三维柔性力电传感器，其特征在于：所述金属电极为银胶电极。
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