CN110417397A - 电致变色的柔性压阻电子开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电致变色的柔性压阻电子开关，包括电致变色柔性压力传感器，用于采集按压信息，并通过颜色变化反馈按压状态；电致变色电路模块，用于控制电致变色柔性压力传感器中电致变色层变色；家用电器控制开关模块，用于控制家用电器工作状态；单阈值编码系统，用于判断电致变色柔性压力传感器是否被按压，进而编码家用电器控制开关的通断状态；微集成芯片，通过导线采集电致变色柔性压力传感器两端的电压信息，通过单阈值编码系统确定电致变色柔性压力传感器的按压状态，进而控制家用电器控制开关模块通断，实现家用电器的开/关。本发明能够精确控制家用电器的工作状态，并具有颜色变化的视觉反馈功能，为新型的家用开关提供了解决思路。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子开关，具体涉及一种电致变色的柔性压阻电子开关。
背景技术
电致变色是指材料在电化学作用下发生氧化还原反应，引起材料颜色随外加电压改变循环变化的现象；电致变色材料被公认为目前最有应用前景的智能材料之一，以其优异的电学、光学和电致变色性能，具有潜在巨大的应用前景和商业价值。到目前为止，人们已经发现多种电致变色材料，包括无机电致变色材料：过渡金属氧化物，基于普鲁士蓝体系的电致变色材料；有机电致变色材料包括紫罗精和导电聚合物等，其中作为新兴的的电致变色材料，导电聚合物主要包括聚噻吩类、聚苯胺类、聚毗咯类、紫精类、噻嗪类、金属酞菁类化合物等。由于有机电致发光材料响应时间短，使用寿命长，循环可逆性好的优点，其逐渐代替传统的无机电致变色材料。
聚噻吩类电致变色材料在正电压下会发生氧化，颜色由红色系变为蓝色系，而当电压变为负电压后，会发生还原，颜色由蓝色系变为红色系。目前，制作电致变色器件主要应用电致变色材料的薄膜的形态，根据不同的电致变色的材料内部结构及其之间组合，制备不同需求的电致变色器件，并广泛应用于信息显示屏、汽车后视镜、建筑物玻璃等。因为电致变色器件既具有高效、低耗、绿色、智能化等突出特点，又可以在很大程度上减少了建筑物的能量负载，符合国民经济的可持续发展的战略要求。
除此之外，柔性电子技术由于其超高的柔性和低成本，作为人机交互系统中各种传感信息的采集器件，引起了越来越多的研究和应用兴趣。目前，柔性压力/形变传感器的工作原理包括压阻式，压容式，摩擦电式和压电式。其中，柔性压阻式传感器的机理是通过压力产生的形变效应改变器件的导电通路，从而改变器件的电阻，导致器件的输出电流或电压发生改变，进而表征压力的大小。与传统的非柔性器件相比，柔性压力/形变传感器由于其超高的柔性和传感效应，引起了学术界和工业界极大的研究兴趣，同时，该类传感器可广泛用于健康监测，机器人及假肢，医疗监控和诊断，可穿戴电子设备和现代医学等领域。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种电致变色的柔性压阻电子开关，以通过电致发光材料的颜色的变化来反映不同位置的电子开关是否按下，实现家用电器的开关。
技术方案：一种电致变色的柔性压阻电子开关，包括：
电致变色柔性压力传感器，用于采集按压信息，并通过颜色变化反馈按压状态和标定位置；
电致变色电路模块，用于控制所述电致变色柔性压力传感器中电致变色层变色；
家用电器控制开关模块，用于控制家用电器工作状态；
单阈值编码系统，用于判断所述电致变色柔性压力传感器是否被按压，进而编码所述家用电器控制开关的通断状态；
微集成芯片，通过导线采集所述电致变色柔性压力传感器两端的电压信息，通过所述单阈值编码系统确定电致变色柔性压力传感器的按压状态，进而控制所述家用电器控制开关模块通断，实现家用电器的开/关。
具体的，所述家用电器控制开关模块包括开关、交流电压源和家用电器串联电路；所述开关的状态由微集成芯片控制。
所述单阈值编码系统的编码过程如下：
1)记录电致变色柔性电子开关工作之前的两端电压U0；设置阈值TH，初始家用电器控制开关的二进制编码状态C0＝0；
2)多次采集电致变色柔性压力传感器的两端电压U,计算两端电压的变化率(U-U0)/U0，将其与阈值TH进行比较，若超过70％的情况为：(U-U0)/U0＞TH，则认为电致变色柔性压力传感器被按下，此时更新状态C0＝1-C0；
3)微集成芯片通过C0的状态控制家用电器控制开关闭合/打开，若C0＝1，开关被打开；若C0＝0，开关被断开。
所述电致变色柔性压力传感器由电致变色层、绝缘层、压力感知层和封装层组成。
优选的，所述电致变色层由MWCNT/PDMS、P3HT、凝胶电解质液、MWCNT/PDMS组成。所述凝胶电解质液为LiClO4、PMMA和PC的混合物。所述绝缘层为聚乙烯醇薄膜。所述压力感知层为多壁碳纳米管修饰的聚氨酯海绵，其两端引出导线作为导电层。所述封装层为聚乙烯醇薄膜。
所述的电致变色电路模块由参考电压、参考电阻、偏置电阻和放大器组成。上述电阻阻值可以根据具体电致变色柔性压力传感器电阻的大小做适当调整。
和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：(1)采用电致变色柔性压力传感器，通过独特的结构设计，实现了对是否被按下的视觉反馈，并且下层的压力感知层两端的电压与按压程度具有高度的单对应关系，以上两者使得该器件兼具人机交互和电子控制开关功能。(2)采用多次判断的单阈值判断系统，能有效消除由于非人为因素导致的电致变色柔性压力传感器中压力感知层电压变化而引起的电子开关的误开关。(3)采用集成电路设计思想，将信息采集，处理和开关控制分开操作，各模块的维护和修改更加方便，并且可以通过简单的电路模块改造和更换，可应用于更多的场景中。
附图说明
图1为本发明的模块示意图；
图2为电致变色柔性压力传感器的结构示意图；
图3为电致变色电路模块的电路设计图；
图4为家用电器控制开关模块的电路设计图；
图5为单阈值编码系统的算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示为本发明的一种电致变色的柔性压阻电子开关的模块示意图：
(1)电致变色柔性压力传感器
电致变色柔性压力传感器能够通过颜色来在黑暗中标定自己的位置，并通过颜色变化来反应是否被按下；除此之外，其对压力具有感知能力，当被按下时，其等效电阻会降低，电阻的变化量直接反映了电致变色柔性压力传感器被按压的程度。
如图2所示，本实例的电致变色柔性压力传感器包括电致变色层-绝缘层-压力感知层-封装层。其中，电致变色层由MWCNT/PDMS-P3HT-凝胶电解质液-MWCNT/PDMS组成，凝胶电解质液和P3HT可以为任意一种具有同等电致变色功效的电致变色材料和电解质液。
优选的，本实施例的凝胶电解质液为LiClO4、PMMA和PC的混合物，绝缘层为聚乙烯醇(PVA)薄膜，压力感知层为多壁碳纳米管修饰的聚氨酯海绵。其中，多壁碳纳米管通过浸涂方法吸附到聚氨酯上的，且多壁碳纳米管均匀的分散在聚氨酯内部龙骨结构上。当该电致变色柔性压力传感器受压力挤压时，内部的聚氨酯龙骨结构会彼此接触，从而形成导电通路，导致电阻的降低。除此之外，该柔性传感器通过在两侧缝纫固定铜导线形成导电层。通过一步转移工艺电致变色柔性压力传感器的最下层制备了封装层。
(2)电致变色电路模块
电致变色电路模块通过放大器硬件电路设计，使得电致变色柔性眼力传感器中电致变色材料两端的电压随压力变化而变化，从而使电致变色材料的颜色产生变化，实现电致变色柔性压力传感器按压的人机交互显示。
如图3所示，本实例的电致变色电路模块包括两个参考电压V1和V2，参考电阻Rf,偏置电阻Rb1和Rb2，以及放大器，上述电阻阻值可以根据具体电致变色柔性压力传感器电阻的大小做适当调整。放大电阻组成可以为任意一种具有同等作用的电路。
本实施例中，Rb1和Rf电阻选为50kΩ,Rb2电阻选为10kΩ,V1＝1V,V2＝-1V。
电致变色层两端的电压当电致变色柔性压力传感器未受力按压时，电阻Rmp较大，此时此时，P3HT发生还原，显色为红色系。而当电致变色柔性压力传感器受力按压时，电阻Rmf迅速降低，此时此时，P3HT发生氧化，显色为蓝色系。根据此实现对压力的人机交互显示。
(3)家用电器控制开关模块
如图4所示，本实例的家用电器控制开关模块为串联电路，其由开关，家用电器和交流电压组成，其中开关的状态由微芯片根据单阈值编码系统的编码结果控制。
(4)集成电路模块设计
整个电致变色的柔性压阻电子开关系统的集成电路模块包括串联分压电路，电致变色电路模块和家用电器控制开关模块。其中串联分压电路由一个固定阻值的常量电阻和电致变色柔性压力传感器构成；集成电路设计由微集成芯片通过导线采集电致变色柔性压力传感器两端的电压信息，并通过芯片内部的单阈值编码系统来判断电致变色柔性压力传感器是否被按下，之后微集成芯片控制家用电器控制开关模块实现家用电器的开关。
整个系统的具体的工作流程架构如图1所示，工作流程为：
首先，当电致变色柔性压力传感器未受力按压时，电致变色柔性压力传感器的电致变色层显色为红色系；当电致变色柔性压力传感器受力按压时，电致变色柔性压力传感器的等效电阻降低，在电致变色电路模块的控制下，电致变色柔性压力传感器的电致变色层显色为蓝色系，实现了对按压状态的人机交互显示。同时，微集成芯片控制模数转换器采集电致变色柔性压力传感器两端的电压，并通过单阈值编码系统编码家用电器控制开关模块中开关的状态。之后，微集成芯片通过单阈值编码系统编码状态来控制家用电器控制开关模块中开关的闭合或断开，从而实现家用电器的通电与否。
(5)单阈值编码系统
为进一步提高该电致变色柔性压阻电子开关的稳定性，本发明利用单稳态编码系统，通过对按下状态的多次采集判断，来消除由于单次判断而导致的电致变色柔性压力传感器抖动等非人为因素而引起的电阻变化。
其算法流程图如图5所示。该单阈值编码系统的工作流程如下：
在电致变色柔性电子开关工作之前，记录电致变色柔性压力传感器两端的电压U0,设置阈值TH，初始家用电器控制开关的二进制编码状态C0＝0。采集电致变色柔性压力传感器两端电压U,若(U-U0)/U0＞TH，则开始计数，若后续20个点中，有超过15个点其两端电压变化情况超过阈值，则认为电致变色柔性压力传感器被按下，此时更新状态C0＝1-C0。
之后，微芯片通过C0的状态控制家用电器控制开关是否被打开，若C0的状态为“1”，则控制家用电器控制开关模块中开关的闭合，家用电器供电开始工作；若C0的状态为“0”，则控制家用电器控制开关模块中开关的断开，家用电器断电停止工作。
Claims (10)
1.一种电致变色的柔性压阻电子开关，其特征在于，包括：
电致变色柔性压力传感器，用于采集按压信息，并通过颜色变化反馈按压状态和标定位置；
电致变色电路模块，用于控制所述电致变色柔性压力传感器中电致变色层变色；
家用电器控制开关模块，用于控制家用电器工作状态；
单阈值编码系统，用于判断所述电致变色柔性压力传感器是否被按压，进而编码所述家用电器控制开关的通断状态；
微集成芯片，通过导线采集所述电致变色柔性压力传感器两端的电压信息，通过所述单阈值编码系统确定电致变色柔性压力传感器的按压状态，进而控制所述家用电器控制开关模块通断，实现家用电器的开/关。
2.根据权利要求1所述的电致变色的柔性压阻电子开关，其特征在于：所述家用电器控制开关模块包括开关、交流电压源和家用电器串联电路；所述开关的状态由微集成芯片控制。
3.根据权利要求1所述的电致变色的柔性压阻电子开关，其特征在于：所述单阈值编码系统的编码过程如下：
1)记录电致变色柔性电子开关工作之前的两端电压U0；设置阈值TH，初始家用电器控制开关的二进制编码状态C0＝0；
2)多次采集电致变色柔性压力传感器的两端电压U，计算两端电压的变化率(U-U0)/U0，将其与阈值TH进行比较，若超过70％的情况为：(U-U0)/U0＞TH，则认为电致变色柔性压力传感器被按下，此时更新状态C0＝1-C0；
3)微集成芯片通过C0的状态控制家用电器控制开关闭合/打开，若C0＝1，开关被打开；若C0＝0，开关被断开。
4.根据权利要求1所述的电致变色的柔性压阻电子开关，其特征在于：所述电致变色柔性压力传感器由电致变色层、绝缘层、压力感知层和封装层组成。
5.根据权利要求4所述的电致变色的柔性压阻电子开关，其特征在于：所述电致变色层由MWCNT/PDMS、P3HT、凝胶电解质液、MWCNT/PDMS组成。
6.根据权利要求5所述的电致变色的柔性压阻电子开关，其特征在于：所述凝胶电解质液为LiClO4、PMMA和PC的混合物。
7.根据权利要求5所述的电致变色的柔性压阻电子开关，其特征在于：所述绝缘层为聚乙烯醇薄膜。
8.根据权利要求5所述的电致变色的柔性压阻电子开关，其特征在于：所述压力感知层为多壁碳纳米管修饰的聚氨酯海绵，其两端引出导线作为导电层。
9.根据权利要求5所述的电致变色的柔性压阻电子开关，其特征在于：所述封装层为聚乙烯醇薄膜。
10.根据权利要求1所述的电致变色电路模块，其特征在于：所述的电致变色电路模块由参考电压、参考电阻、偏置电阻和放大器组成。
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