CN111504527A - 一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器，包括封装层、柔性基底、敏感膜和电极，敏感膜上方和下方均连接有柔性基底，上方和下方的柔性基底正对面上均覆盖有海胆状氧化物基复合膜，海胆状氧化物基复合膜与外接电极相连。将海胆状氧化物‑导电材料复合膜涂覆在柔性基底上，一方面，海胆状金属氧化物对导电材料起到了支撑作用，提升了导电材料在压力作用下的形变能力；另一方面，导电材料包覆在海胆状金属氧化物的表面，弥补了海胆状金属氧化物导电性差、功耗高等不足。因此，将海胆状金属氧化物与导电材料进行复合，可使传感器兼具高灵敏度、低功耗、制备方法简单、成本低廉、易于量产等优势。

Description

一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及压力传感器、复合纳米材料技术和柔性可穿戴电子学技术领域，具体涉及一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器及其制备方法。
背景技术
柔性压力传感器是一种将压力信号转变为电学信号的新型传感器，在智能机器人、智能假肢、可穿戴电子、健康医疗监测、人机交互等领域表现出广阔的应用前景。压敏材料是制约压力传感器性能的重要因素，近年来受到了科研工作者的广泛关注。碳材料、导电聚合物、金属等导电材料具有优异的导电性能，可将压力信号快速转变为电学信号，广泛应用于柔性压力传感器。但是，单一导电材料在压力作用下的形变能力十分有限，压敏特性差，压敏特性有待进一步提升。
海胆具有高密度的刺结构，但是单一海胆状氧化物导电性差、功耗高等不足。将导电材料与具有海胆状结构的材料进行复合可有效提升单一导电材料在压力作用下的形变能力，进而增强其压敏特性。中国专利CN110108399A通过将具有海胆状结构的向日葵花花粉与碳化钛进行复合，研制出一种高稳定性、高灵敏度和快响应恢复速度的柔性压力传感器。但是，向日葵花花粉的获取受环境、季节等因素的限制较大，且不适宜的环境温度极易对向日葵花花粉造成损伤，降低传感器的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于：针对单一导电材料在压力作用下形变能力有限，压敏特性差，单一海胆状氧化物导电性差、功耗高等不足，提供一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器及其制备方法，将海胆状氧化物-导电材料复合膜涂覆在柔性基底上，经过引出电极、封装即完成了仿生压力传感器的制备，一方面，海胆状金属氧化物对导电材料起到了支撑作用，提升了导电材料在压力作用下的形变能力；另一方面，导电材料包覆在海胆状金属氧化物的表面，弥补了海胆状金属氧化物导电性差、功耗高等不足。因此，将海胆状金属氧化物与导电材料进行复合，可使传感器兼具高灵敏度、低功耗、制备方法简单、成本低廉、易于量产等优势。
本发明采用的技术方案如下：
一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器，包括封装层、柔性基底、敏感膜和电极，所述敏感膜上方和下方均连接有柔性基底，上方和下方的所述柔性基底正对面上均覆盖有海胆状氧化物基复合膜，所述海胆状氧化物基复合膜与外接电极相连。
技术原理：海胆状氧化物具有高密度的刺结构，故而可实现对压力的高灵敏感知。此外，金属氧化物还具有良好的机械性能与稳定性，故可对外界压力起到缓冲作用，进而延长传感器的使用寿命。与此同时，掺入适量具有优良导电特性的导电材料可以调控金属氧化物的导电性能，进而使器件的电阻值与响应变化能够良好的匹配后端处理电路。因此，将海胆状氧化物与导电材料进行复合，一方面弥补了海胆状氧化物导电性差，功耗高等不足。另一方面弥补了单一导电材料在压力作用下形变能力有限等不足，进而显著提升了单一导电材料的压敏特性，最终实现了两种材料的优势互补。
进一步的，所述海胆状氧化物基复合膜为海胆状氧化物-导电材料复合膜。
进一步的，所述海胆状氧化物为金属氧化物，包括具有海胆状结构的氧化锌、氧化铜、氧化钼、三氧化二铁中的任意一种或多种。
进一步的，所述海胆状氧化物的合成方式包括溶胶凝胶法、沉淀法、水热合成法、水解法。优选水热合成法。
进一步的，所述海胆状氧化物的直径为0.1-10μm。
进一步的，所述海胆状氧化物基的复合膜由海胆状氧化物分散液与导电材料分散液按1∶1-5的体积比混合后通过成膜工艺制成，所述成膜工艺包括气喷、旋涂、滴涂、浸涂。优选旋涂工艺。
进一步的，所述导电材料为炭黑、石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯量子点、石墨烯纳米片、碳纳米管、聚苯胺、聚吡咯、金、银中的任意一种或多种的组合。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)用UV等离子体处理柔性基底，使柔性基底具有亲水特性；
(2)采用溶胶凝胶法或沉淀法或水热合成法或水解法制备具有海胆状结构的金属氧化物；
(3)采用气喷或旋涂或滴涂或浸涂的成膜工艺，将聚乙烯亚胺制备在柔性基底上，使柔性基底具有较好的粘性；
(4)采用气喷或旋涂或滴涂或浸涂的成膜工艺，将海胆状氧化物-导电材料复合膜制备在柔性基底上，记柔性基底中含有海胆状氧化物-导电材料复合膜的一面为柔性基底的正面；
(5)通过导电银浆将电极固定在柔性基底的正面；
(6)将两张含有海胆状氧化物-导电材料复合膜与电极的柔性基底的正面面对面正对放置；
(7)通过封装层对上述结构进行封装。
综上所述，本发明相较于现有技术的有益效果是：
(1)具有海胆状结构的金属氧化物可高灵敏感知外界压力，延长传感器使用寿命。导电材料可将金属氧化物感知到的压力信号快速转变为电学信号。因此，将导电材料与具有海胆状结构的金属氧化物进行复合，一方面弥补了单一金属氧化物导电性差，功耗高等不足。另一方面显著提升了单一导电材料的压敏特性，最终实现了两种材料的优势互补。
(2)通过将本发明的海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器应用于人体，可实现对人体生理、运动信号的实时监测，具有广阔的应用前景。
(3)本发明提供的仿生压力传感器器件结构简单，制备工艺简便，成本低廉，制备过程不受环境、季节等因素的限制，以电流信号表征压力信号，无需复杂的读出电路。因此，本发明提供的柔性压力传感器有利于大规模制造、推广和使用。
附图说明
图1是本发明中一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器的结构示意图；
图2是本发明中一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器的等效电路示意图；
图3是本发明中海胆状氧化锌-多壁碳纳米管复合膜仿生压力传感器与多壁碳纳米管压力传感器对不同压力的响应对比；
图4是本发明中海胆状氧化锌/多壁碳纳米管复合膜仿生压力传感器对0.09kPa压力的2000次重复性。
附图标记为：1-封装层，2-柔性基底，3-敏感膜，4-电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
下面结合附图1-4及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：
如图1所示，一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器，包括封装层1、柔性基底2、敏感膜3和电极4，敏感膜3上方和下方均连接有柔性基底2，柔性基底2上覆盖有海胆状氧化物基复合膜，所述海胆状氧化物基复合膜与外接电极相连。
本实施例选用的封装层为PI胶带，柔性基底为硅油(PDMS)，海胆状氧化物为海胆状氧化锌，导电材料为多壁碳纳米管(MWCNTs)，电极为铜线，其具体步骤为：
(1)取一张亚克力板，将其大小裁成1.5cm*1.5cm，并用丙酮、乙醇和去离子水清洗干净；
(2)以10∶1的质量比称取PDMS主剂及PDMS固化剂，加入烧杯中，用玻璃棒充分搅拌15min，使PDMS混合胶体表面出现大量气泡；
(3)将步骤(2)中得到的PDMS混合胶体放入真空干燥箱中，在0.07MPa气压下除气45min，使PDMS混合胶体里的气泡被完全去除；
(4)将PDMS混合胶体旋涂在步骤(1)制备的亚克力板上，在70℃下烘烤60min，而后将固化后的PDMS从烤箱取出，在室温下静置10min使PDMS薄膜表面硬化；
(5)利用镊子将PDMS从亚克力板表面剥离，用UV等离子体处理柔性基底，使柔性基底具有亲水特性；
(6)将聚乙烯亚胺(PEI)分散在去离子水中，制备质量分数为1％w/v的PEI分散液；
(7)以氢氧化钠、二水合醋酸锌为原材料，通过低温水热法制备海胆状氧化锌粉末；
(8)将海胆状氧化锌分散在无水乙醇中，磁力搅拌，制得海胆状氧化锌分散液，将多壁碳纳米管分散在去离子水中，制得多壁碳纳米管分散液，而后将多壁碳纳米管分散液逐滴加入海胆状氧化锌分散液中，磁力搅拌，得到海胆状氧化锌-多壁碳纳米管分散液；
(9)将PEI分散液、海胆状氧化锌-多壁碳纳米管分散液依次旋涂在PDMS上；
(10)将覆盖有海胆状氧化锌-多壁碳纳米管复合膜的PDMS置于40℃的环境下干燥12h；
(11)用导电银浆将铜线固定在海胆状氧化锌-多壁碳纳米管复合膜的边缘；
(12)将两张含有海胆状氧化锌-多壁碳纳米管复合膜与铜电极的PDMS的正面面对面正对放置；
(13)通过PI(2-甲基氮丙啶)胶带对上述结构进行封装。
试验例：
根据实施例制备海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器，并省去实施例中的步骤(7)，将步骤(8)中的海胆状氧化锌分散液替换为等体积的无水乙醇，制备多壁碳纳米管柔性压力传感器。
性能测试
性能测试按照本领域已公开的方法进行，具体方法为：用Keithley 4200半导体参数分析仪对上述制备的传感器施加1V的固定偏压，并对传感器输出的电流信号进行实时监测。通过准测ZC-990B电动拉压力试验机对传感器施加不同的压力。
定义压力传感器的响应为
Figure BDA0002449522450000051
灵敏度
Figure BDA0002449522450000052
式中，ΔI＝I-I0，I为传感器受到压力作用时的输出电流，I0为传感器不受压力作用时的输出电流，P为传感器受到的压力。
由图3海胆状氧化锌-多壁碳纳米管复合膜仿生压力传感器与多壁碳纳米管压力传感器对不同压力的响应对比知，海胆状氧化锌可明显提升单一多壁碳纳米管的响应值与灵敏度。
由图4海胆状氧化锌-多壁碳纳米管复合膜仿生压力传感器对0.09kPa压力的2000次重复性知，海胆状氧化锌-多壁碳纳米管复合膜仿生压力传感器具有良好的重复性。
由图2所示的等效电路图中，传感器的总电阻R＝RE+RF+RC。式中，RE表示传感器电极的电阻，RF表示敏感膜的电阻，RC表示两层敏感膜间的接触电阻。传感器在不受外力作用时，两层敏感膜间的接触面积较小，故接触电阻RC较大。当传感器受到外界压力作用时，柔性基底发生压缩形变，两层敏感膜间的接触面积变大，进而形成更多的导电通路，导致传感器的RC减小。当撤去外界压力时，柔性基底恢复至初始形状，两层敏感膜间的接触面积减小，传感器的RC恢复至初始值。相较于单一导电材料，海胆状氧化物/导电材料复合膜在相同压力作用下的形变程度更大，故敏感膜接触面积的变化更大，最终导致传感器接触电阻RC的变化更大。因此，将导电材料与具有海胆状结构的氧化物进行复合可有效提升单一导电材料的压敏特性。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器，包括封装层、柔性基底、敏感膜和电极，其特征在于，所述敏感膜上方和下方均连接有柔性基底，上方和下方的所述柔性基底正对面上均覆盖有海胆状氧化物基复合膜，所述海胆状氧化物基复合膜与外接电极相连。
2.根据权利要求1所述的一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器，其特征在于，所述海胆状氧化物基复合膜为海胆状氧化物-导电材料复合膜。
3.根据权利要求2所述的一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器，其特征在于，所述海胆状氧化物为金属氧化物，包括具有海胆状结构的氧化锌、氧化铜、氧化钼、三氧化二铁中的任意一种或多种。
4.根据权利要求3所述的一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器，其特征在于，所述海胆状氧化物的合成方式包括溶胶凝胶法、沉淀法、水热合成法、水解法。
5.根据权利要求3或4所述的一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器，其特征在于，所述海胆状氧化物的直径为0.1-10μm。
6.根据权利要求1所述的一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器，其特征在于，所述海胆状氧化物基的复合膜由海胆状氧化物分散液与导电材料分散液按1∶1-5的体积比混合后通过成膜工艺制成，所述成膜工艺包括气喷、旋涂、滴涂、浸涂。
7.根据权利要求2所述的一种海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器，其特征在于，所述导电材料为炭黑、石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯量子点、石墨烯纳米片、碳纳米管、聚苯胺、聚吡咯、金、银中的任意一种或多种的组合。
8.一种权利要求1-7任意一项所述的海胆状氧化物基复合膜仿生压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用UV等离子体处理柔性基底，使柔性基底具有亲水特性；
(2)采用溶胶凝胶法或沉淀法或水热合成法或水解法制备具有海胆状结构的金属氧化物；
(3)采用气喷或旋涂或滴涂或浸涂的成膜工艺，将聚乙烯亚胺制备在柔性基底上，使柔性基底具有较好的粘性；
(4)采用气喷或旋涂或滴涂或浸涂的成膜工艺，将海胆状氧化物-导电材料复合膜制备在柔性基底上，记柔性基底中含有海胆状氧化物-导电材料复合膜的一面为柔性基底的正面：
(5)通过导电银浆将电极固定在柔性基底的正面；
(6)将两张含有海胆状氧化物-导电材料复合膜与电极的柔性基底的正面面对面正对放置；
(7)通过封装层对上述结构进行封装。
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