CN111141426A - 一种制备全纸基全有机可折叠的聚吡咯压力传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备全纸基全有机可折叠的聚吡咯压力传感器的方法，其特征在于具体步骤如下：（1）制备聚吡咯打印纸电极；（2）制备聚吡咯卫生纸敏感层；（3）利用叠层的方法制备聚吡咯纸基压力传感器；（4）利用手工裁剪或者折叠的方法制备二维孔洞或者三维立体压力传感器。其利用聚吡咯作为电极和敏感层，具有制备方法简易，低成本，绿色环保等优势，且能够进行折叠和裁剪形成，是一种二维孔洞或者三维立体的压力传感器。

Description

一种制备全纸基全有机可折叠的聚吡咯压力传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种全纸基全有机的导电聚合物压力传感器，特别涉及一种制备全纸基全有机可折叠的聚吡咯压力传感器的方法，属于有机电子领域。
背景技术
基于电容，压阻，以及压电式的纸基压力传感器因其质量轻，低成本，高柔韧性，以及易于回收等优势已经被人们的广泛的关注和研究。在这其中，压阻式压力传感器因其结构简单，易于制备以及高灵敏度，且具有纸张轻便以及透气的特点，展示出了在人体运动以及生理信号监测方面的巨大优势。这类传感器典型的是利用金，钛金，以及银作为电极(Nat.Commun.2014,5,3132；ACS Appl.Mater. Interfaces 2017,9,37921-37928)。然而，昂贵的金属电极会削弱纸基压力传感器的部分优势，如低成本，生物相容以及生物降解。同时，高温蒸镀金属电极是不利于柔性绿色电子设备的。所有的这一系列的问题限制了纸基压力传感器的独特优势，制作绿色可降解低成本的纸基压力传感器仍然是一个挑战性问题。
纸基压力传感器的另一个挑战性问题是其可裁剪和可折叠性，这对于柔性器件的形状设计是非常重要的。通常来说，纸可以裁剪成为各种各样的形状，或者折叠成一些复杂的三维的结构。如果纸基压力传感器能够像纸一样被裁剪或者折叠成三维自支撑结构，那实际的器件将会与实际的物体(尤其是具有复杂图案或者孔洞的物体)更好的结合。尽管一些文献强调过剪纸与折纸对于纸基压力传感器的优势，而目前并没有文献报道过用剪纸的方法制备复杂的二维图案或者三维结构的纸基压力传感器，这主要由于器件装配方式的原因，比如折叠和裁剪的过程会被插枝电极的结构所限制；现有的压力传感器虽然有较好的性能，但其制备是通过光刻或者化学刻蚀的方法，这无疑是耗时耗费的。现有的纸基传感器虽然能够一定程度上解决这一问题，但其电极多采用金属电极，这限制了纸本身优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备全纸基全有机的可折叠的聚吡咯压力传感器的方法，其利用聚吡咯作为电极和敏感层，具有制备方法简易，低成本，绿色环保等优势，且能够进行折叠和裁剪形成，是一种二维孔洞或者三维立体的压力传感器。
本发明提供的技术方案是这样实现的：一种制备全纸基全有机可折叠的聚吡咯压力传感器的方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)制备聚吡咯打印纸电极；
(2)制备聚吡咯卫生纸敏感层；
(3)利用叠层的方法制备聚吡咯纸基压力传感器；
(4)利用手工裁剪或者折叠的方法制备二维孔洞或者三维立体压力传感器。
上述方法的步骤(1)中，选用商用打印纸为电极衬底，可采用化学氧化法制备高导电性聚吡咯电极纸，所述合成条件如下：
将打印纸裁剪为10cm×10cm，将1.8mL聚吡咯的单体置于 20mL二次去离子水中，之后机械搅拌使其均匀备用，搅拌的时间为 3h；将1200mg氯化铁置于40mL二次去离子水中，机械搅拌均匀备用，搅拌时间为3h；将上述两种溶液混合，并将裁剪好的打印纸浸入反应的混合溶液中，反应时间可为2-5h，具体可为3h；反应后将作为电极衬底的打印纸取出清洗干净并烘干备用；
上述方法的步骤(2)中，选用商用卫生纸为敏感层衬底，可利用化学氧化法合成低导电性的聚吡咯卫生纸，具体合成条件如下：
将卫生纸裁剪为10cm×10cm，将0.6mL聚吡咯的单体置于20 mL二次去离子水中，之后机械搅拌使其均匀备用，搅拌时间为3h；将400mg氯化铁置于40mL二次去离子水中，机械搅拌使其均匀备用，搅拌时间为3h；将上述两种溶液混合，将卫生纸浸入反应的混合溶液中，反应时间可为5或10或30分钟，具体为10分钟，反应后将衬底取出烘干备用；
上述方法的步骤(3)中，将聚吡咯卫生纸剪切成1.2cm×1.2cm，将三层聚吡咯卫生纸叠合，在多层敏感层上下部分分别叠合聚吡咯电极打印纸(1cm×3cm)，之后利用PI或者双面胶进行封装；
由上述任一项所述的方法制备得到的聚吡咯纸基压力传感器，也在本发明的保护范围内。
进一步提供了聚吡咯压力传感器的传感性能。
进一步提供了聚吡咯压力传感器在人体探测领域的应用。
进一步提供了全纸基的压力传感器阵列在多点触控识别以及轨迹监测的应用。
进一步提供了聚吡咯压力传感器在可裁剪和可折叠方面的应用。
本发明的积极效果是：
(1)本发明能够提供一种全有机全纸基压力传感器的装配方法；
(2)本发明制备的压力传感器具有低成本，室温加工，且利用一种材料同时用作敏感层与电极；
(3)本发明制备获得的压力传感器具有灵敏度高且探测范围广的优势；
(4)本发明制备获得的压力传感器能够探测出一些重要的人体生理信号以及运动状态；
(5)本发明制备获得压力传感器阵列能够实现多点触控以及轨迹识别；
(6)本发明提供的全纸基压力传感器方法，可通过裁剪或者折叠的方法形成二维孔洞传感器或者三维自支撑传感器。
附图说明
图1为实施例1-3中制备全有机全纸基聚吡咯压力传感器的示意图。
图2为制备获得聚吡咯打印纸电极的SEM图像及聚吡咯打印纸电极作为导线来驱动LED灯的图像。
图3为实施例1中制备获得的全有机全纸基聚吡咯压力传感器敏感层部分的SEM的图像。
图4为实施例3中制备获得的全有机全纸基聚吡咯压力传感器传感性能。
图5a为全有机全纸基聚吡咯压力传感器对于人体生理信号以及运动的探测。
图5b为对于声音探测的展示图像。
图5c是一个典型的纸基压力传感器贴合到胸部对呼吸的探测。
图5d是对于脉搏的探测。
图5e是对人运动时拳头放松与攥紧的探测
图5f是一个典型的压力传感器贴在人脚掌之上对于不同地面的感知
图6为全纸基压力传感器阵列的示意图。
图7a为典型的二维孔洞压力传感器的构筑过程以及对压力的响应。
图7b为典型的三维立体压力传感器的构筑过程以及对压力的响应。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、制备全有机全纸基聚吡咯压力传感器的电极部分
按照图1所示流程示意图制备全有机全纸基聚吡咯压力传感器电极部分，步骤如下：选用商用打印纸为电极衬底,将打印纸裁剪为 10cm×10cm。将1.8mL聚吡咯的单体置于20mL二次去离子水中，之后机械搅拌使其均匀(搅拌的时间为3h)。将1200mg氯化铁置于40ml二次去离子水中，机械搅拌均匀(搅拌时间为3h)。将上述两种溶液混合，将打印纸浸入反应溶液中。反应时间为3h。反应后将衬底清洗并烘干。
本发明制备获得的聚吡咯电极，保持了打印纸原有致密的纤维结构，且导电性良好。图1上部分为制备聚吡咯电极的示意图，图2 为制备获得聚吡咯打印纸电极的SEM图像，可以看出经过合成之后聚吡咯后，打印纸原有的形貌不会发生改变，图2为聚吡咯打印纸电极作为导线来驱动LED灯，可以看出聚吡咯打印纸具有良好的导电性且用于电极。
实施例2、制备全有机全纸基聚吡咯压力传感器的敏感层部分
按照图1所示流程示意图制备全有机全纸基聚吡咯压力传感器敏感层部分，步骤如下：
选用商用卫生纸为敏感层衬底，将卫生纸裁剪为10cm×10cm。将0.6mL聚吡咯的单体置于20mL二次去离子水中，之后机械搅拌使其均匀(搅拌时间为3h)。将400mg氯化铁置于40mL二次去离子水中，机械搅拌使其均匀(搅拌时间为3h)。将上述两种溶液混合，将卫生纸浸入反应溶液中。反应时间为10分钟。反应后将衬底取出烘干。
本发明制备获得的聚吡咯敏感层，保持了卫生纸原有的褶皱和疏密的特点，结合导电性适合的聚吡咯，可用作为具有压阻特性的敏感层。
图3为制备获得聚吡咯卫生纸敏感层的SEM图像。可以看出经过合成之后，保持卫生纸原有疏密和褶皱的特点，这样卫生纸本身可变的体电阻，与多层卫生纸之间的接触电阻会随着施加压力而发生大的改变，具备了作为压阻式压力传感器的潜力。
实施例3、组装全有机全纸基聚吡咯压力传感器
按照图1所示流程示意图制备全有机全纸基聚吡咯压力传感器敏感层部分，步骤如下：
将卫生纸裁剪为10cm×10cm。将聚吡咯卫生纸剪切成1.2cm ×1.2cm。将三层聚吡咯卫生纸叠合。在多层敏感层上下部分分别叠合聚吡咯电极打印纸(1cm×3cm)。之后利用PI或者双面胶进行封装。制备所得压力传感器成分首次能够达到全有机全纸基的，避免了金属和弹性体的产生。且该传感器性能上具有高的灵敏度和宽的探测范围。能够应用于人体生理信号的探测以及运动的监测。
图1为制备全有机全纸基聚吡咯压力传感器的示意图。(可以看出整个制备过程简单，且室温操作，制备采用叠层结构而并非插枝电极结构，可进一步用于裁剪或者折叠的操作)图4为制备获得的全有机全纸基聚吡咯压力传感器的传感性能(获得的压力传感在低压区 (<5.5kPa)灵敏度为4.8kPa-1,高压区的灵敏度为1.7kPa-1在 (5.5-40kPa)，且压力范围能够达到40kPa，这优于报道的绝大多数的压力传感器)；制备获得的全有机全纸基聚吡咯压力传感器对人体生理信号的探测，由图5a可以看出对于人体，较为重要的生理信号为声音信号，呼吸信号，脉搏信号，以及运动信号，我们的传感器因其具有灵敏度高且探测范围广的优势能够实现一个较大范围的探测。图5b是对于声音探测的展示，可以看出当测试者说不同单词的时候，获得电学信号具有明显的差异，证明了我们的纸基传感器在声音探测方面的识别。图5c是一个典型的纸基压力传感器贴合到胸部对呼吸的探测，当人进行正常呼吸与深呼吸时，获得电学信号的强度以及频率由明显的差异。图5d是对于脉搏的探测，可以看出测得的脉搏速率为72/分钟，这也接近于一个正常健康人的实际数据，且P1， P2,P3峰有着明显的识别。图5e是对人运动时拳头放松与攥紧的探测，不同状态下电学信号有着明显的差异，这对于防止肌肉的运动拉伤是有意义的。图5f是一个典型的压力传感器贴在人脚掌之上对于不同地面的感知，获得的电学信号强度具有明显的差异，这对于人体防止外来侵害是有意义的。
实施例3、制备全纸基的压力传感器阵列
按照制备全纸压力传感器阵列，步骤如下：
通过裁剪的方法将聚吡咯打印纸电极裁剪(1cm×6cm)。聚吡咯卫生纸裁剪整1cm×1cm，并将三层叠合。将聚吡咯打印纸和聚吡咯卫生纸叠合并用双面胶封装，形成3×3的阵列。
图6为典型的全纸基压力传感器阵列的示意图、不同于之前报道的插值电极结构，我们的全纸基的压力传感器因其叠层结构以及全纸结构，能实现上下交叠电极的构筑，这样能够达到更好的集成度。
图6中全纸基压力传感器对于手指滑动轨迹以及多点触控的识别与监测，可以看出对于不同点的外来压力，我们的传感器都能明显的识别。且对于手指的滑动轨迹，也能明显的记录。
实施例4、利用手工裁剪或者折叠的方法制备二维孔洞或者三维立体压力传感器
按照流程照片图制备二维孔洞或者三维立体压力传感器，步骤如下：
将三层聚吡咯卫生纸与聚吡咯打印纸电极叠合，对于典型的二维孔洞的折叠的方法形成对称结构并进行裁剪，对于典型的三维立体压力传感器，通过手工折叠的方法构成立体结构。聚吡咯打印纸电极可直接连接源表测试。我们的全纸基压力传感器能够通过裁剪或者折叠的方法得到预想形状的二维甚至三维传感器。
图7a为典型的二维孔洞压力传感器的构筑过程以及对压力的响应。不同于之前报道的压力传感器，我们的全纸基的压力传感器能够直接构筑为所需要的形状，如图所示，该传感器能够直接剪裁成二维的花形状传感器，且花的每一部分对压力均能够进行感知。
图7b为典型的三维立体压力传感器的构筑过程以及对压力的响应。目前报道的压力传感器大多数都是二维结构，所以只能以集成的方式附着于三维物体之上，这无疑是好事耗费的，而我们的全纸基压力传感器能够直接形成三维的立体压力传感器，并且能够对于三维方向的力进行感知，如图所示一个典型的帽子形状的压力传感器，当物体分别按压不同方位的帽子时，都能输出典型的电学信号。

Claims (4)

1.一种制备全纸基全有机可折叠的聚吡咯压力传感器的方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）制备聚吡咯打印纸电极；
（2）制备聚吡咯卫生纸敏感层；
（3）利用叠层的方法制备聚吡咯纸基压力传感器；
（4）利用手工裁剪或者折叠的方法制备二维孔洞或者三维立体压力传感器。
2.根据权利要求1所述的一种制备全纸基全有机可折叠的聚吡咯压力传感器的方法，其特征在于所述的步骤（1）中，选用商用打印纸为电极衬底，可采用化学氧化法制备高导电性聚吡咯电极纸，所述合成条件如下：
将打印纸裁剪为 10 cm×10 cm，将1.8 mL聚吡咯的单体置于20 mL二次去离子水中，之后机械搅拌使其均匀备用，搅拌的时间为3h；将1200 mg氯化铁置于40 mL二次去离子水中，机械搅拌均匀备用，搅拌时间为3h；将上述两种溶液混合，并将裁剪好的打印纸浸入反应的混合溶液中，反应时间可为2-5 h，具体可为3h；反应后将作为电极衬底的打印纸取出清洗干净并烘干备用。
3.根据权利要求1所述的一种制备全纸基全有机可折叠的聚吡咯压力传感器的方法，其特征在于所述的步骤（2）中，选用商用卫生纸为敏感层衬底，可利用化学氧化法合成低导电性的聚吡咯卫生纸，具体合成条件如下：
将卫生纸裁剪为10 cm×10 cm，将0.6 mL聚吡咯的单体置于20 mL二次去离子水中，之后机械搅拌使其均匀备用，搅拌时间为3h；将400 mg氯化铁置于40 mL二次去离子水中，机械搅拌使其均匀备用，搅拌时间为3h；将上述两种溶液混合，将卫生纸浸入反应的混合溶液中，反应时间可为5或10或30分钟，具体为10分钟，反应后将衬底取出烘干备用。
4.根据权利要求1所述的一种制备全纸基全有机可折叠的聚吡咯压力传感器的方法，其特征在于步骤（3）中，将聚吡咯卫生纸剪切成1.2 cm×1.2 cm，将三层聚吡咯卫生纸叠合，在多层敏感层上下部分分别叠合聚吡咯电极打印纸（1 cm×3 cm），之后利用PI或者双面胶进行封装。
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