CN111537098B - 柔性电容式温度传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了柔性电容式温度传感器及其制作方法，该柔性电容式温度传感器为顺排六方氮化硼/PVDF薄膜层、MXene/PVA薄膜层、六方氮化硼/PVDF薄膜层的三明治结构，三明治结构的上下外表面分别镀有金电极，以形成柔性电容式温度传感器的上、下电极；其中间层的MXene/PVA薄膜，高导电性的MXene和高绝缘性的聚合物基体之间存在界面极化，能够提供较高的介电常数并且介电常数随温度变化出现较大变化；而上下两层为六方氮化硼/PVDF薄膜，六方氮化硼可以抑制电极上的电荷输入到介质中，而且夹层结构使得层与层之间出现屏障效应，增强电荷捕获，使其获得高的击穿强度，在高电场条件下保护器件。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料和纳米功能器件制备技术领域，尤其涉及柔性电容式温度传感器及其制作方法。
背景技术
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，换句话说，传感器就像人类五官等感知器官。传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。目前，传感器广泛应用于社会发展及人类生活的各个领域，如工业自动化、航天技术、军事工程、机器人技术、海洋探测、环境监测、安全保卫、医疗诊断等。
随着近年来集成电路的出现，电容式传感器克服其固有缺点，逐渐发展成为一种用途极广，很有发展潜力的传感器。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于外力、压力、振动等引起的极距变化，例如电容式压力传感器。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。电容式传感器由于其高阻抗、小功率、结构简单，适应性强等特点，已经越来越受到科研界的关注。
随着可穿戴器件的发展和应用需求，柔性器件的发展越来越受到人们的关注。聚合物电介质由于具有超高的固有击穿强度，且具有一定的柔性，因此在柔性器件的领域受到越来越多的重视。但聚合物的介电常数较低，放电的能量密度达不到理想水平，使其发展受到限制。目前已经有报道，为了获得较高的介电常数，人们往PVDF，PVA等聚合物中添加碳纳米管，MXene等导电填料，以此获得性能较好的电容器。而通过实验发现，加入导电填料后，虽然能够获得较高的介电常数，但是电容器的击穿强度大大降低，在高电场强度下无法正常工作。
发明内容
本发明为解决现有的柔性电容式传感器无法兼具较高介电常数，较低介电损耗和较高击穿强度的问题，提供了柔性电容式温度传感器及其制作方法。
为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：
柔性电容式温度传感器，所述柔性电容式温度传感器为顺排六方氮化硼/PVDF薄膜层、MXene/PVA薄膜层、六方氮化硼/PVDF薄膜层的三明治结构，所述三明治结构的上下外表面分别镀有金电极，以形成所述柔性电容式温度传感器的上、下电极。
上述方案中，柔性电容式温度传感器的三明治结构：首先中间一层是MXene/PVA薄膜，高导电性的MXene和高绝缘性的聚合物基体之间存在界面极化，能够提供较高的介电常数并且介电常数随温度变化出现较大变化；而上下两层为六方氮化硼/PVDF薄膜，六方氮化硼可以抑制电极上的电荷输入到介质中，而且夹层结构使得层与层之间出现屏障效应，能够使其获得高的击穿强度，在高电场条件下保护器件。因此该柔性电容式温度传感器的柔韧性好，能够在一定温度范围内检测到温度的变化，具有较高的介电常数，较低的介电损耗和较高的击穿强度。
优选的，所述六方氮化硼/PVDF薄膜层中，六方氮化硼含量为8.0wt％。在本优选方案中，8.0wt％的六方氮化硼含量既可提高电容器的击穿强度，又能够获得较高的介电系数，从而使得柔性电容式温度传感器具有更好的性能。
优选的，所述MXene/PVA薄膜层中，MXene含量为2.5wt％。在本优选方案中，2.5wt％的MXene含量下，电容器的介电常数理想，且介电损耗最低，从而使得柔性电容式温度传感器具有更好的性能。
本发明还提供了柔性电容式温度传感器的制作方法，包括：
S1.取一块载玻片先后放入无水乙醇、DI水中进行超声清洗，随后放入鼓风干燥箱中烘干保持恒温70℃；
S2.将预配置的六方氮化硼/PVDF混合溶液涂布到步骤S1得到的载玻片上，在烘干箱内70℃下进行烘干得到六方氮化硼含量为8.0wt％的六方氮化硼/PVDF薄膜；
S3.对烘干后固化成型的六方氮化硼/PVDF薄膜进行退火处理；
S4.将预配置的MXene/PVA混合悬浮液进行超声处理，使其充分混合；
S5.将MXene/PVA混合悬浮液涂覆在步骤S3得到的六方氮化硼/PVDF薄膜上，然后在40℃下烘干，得到MXene含量为2.5wt％的MXene/PVA薄膜；
S6.重复步骤S2和S3，将得到的六方氮化硼/PVDF薄膜涂覆于步骤S5形成的结构上，制得顺排六方氮化硼/PVDF薄膜层、MXene/PVA薄膜层、六方氮化硼/PVDF薄膜层的三明治结构；
S7.利用溅射镀膜技术在所述三明治结构的上下外表面镀上金电极。
上述方案中，以此方法制备得到的柔性电容式温度传感器，首先其中间一层MXene/PVA薄膜，高导电性的MXene和高绝缘性的聚合物基体之间存在界面极化，能够提供较高的介电常数并且介电常数随温度变化出现较大变化；而上下两层为六方氮化硼/PVDF薄膜，六方氮化硼可以抑制电极上的电荷输入到介质中，而且夹层结构使得层与层之间出现屏障效应，能够使其获得高的击穿强度，在高电场条件下保护器件。因此该柔性电容式温度传感器的柔韧性好，能够在一定温度范围内检测到温度的变化，具有较高的介电常数，较低的介电损耗和较高的击穿强度。
优选的，所述步骤S1具体为：取一块载玻片先后放入无水乙醇、DI水中分别进行超声清洗20min，随后放入鼓风干燥箱中烘干保持恒温70℃。在本优选方案中，载波片预热保温至70℃，后续再涂布混合溶液，这使得器件烘干过程不会出现器件上下表面温度差过大而导致收缩不均，器件出现弯曲的状况。
优选的，所述六方氮化硼/PVDF混合溶液的预配置步骤包括：称取PVDF粉末2.5g，在60℃下通过磁力搅拌完全溶解在DMF溶剂中，得到PVDF溶液；称取六方氮化硼纳米片0.2g并通过超声处理溶解在DMF溶液中，得到和六方氮化硼悬浮液；将所述PVDF溶液和六方氮化硼悬浮液进行混合，在室温下通过磁力搅拌直至混合液无气泡产生。
优选的，所述步骤S3具体为：将烘干后固化成型的六方氮化硼/PVDF薄膜放置在减压炉中以180℃退火6小时。在本优选方案中，退火处理一方面能够消除残余应力，稳定薄膜尺寸，减少变形与裂纹倾向，另一方面可以均匀材料组织和成分，改善材料性能。
优选的，所述MXene/PVA混合悬浮液的预配置步骤包括：称取MXene粉末0.1g溶于DI水中，得到MXene溶液；往所述MXene溶液中加入4gPVA溶液进行混合，对混合溶液进行超声处理。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明的柔性电容式温度传感器及其制作方法，柔性电容式温度传感器，首先其中间一层MXene/PVA薄膜，高导电性的MXene和高绝缘性的聚合物基体之间存在界面极化，能够提供较高的介电常数并且介电常数随温度变化出现较大变化；而上下两层为六方氮化硼/PVDF薄膜，六方氮化硼可以抑制电极上的电荷输入到介质中，而且夹层结构使得层与层之间出现屏障效应，能够使其获得高的击穿强度，在高电场条件下保护器件。因此该柔性电容式温度传感器的柔韧性好，能够在一定温度范围内检测到温度的变化，具有较高的介电常数，较低的介电损耗和较高的击穿强度。
附图说明
图1为实施例1电容式温度传感器的三维结构示意图。
图2为实施例2电容式温度传感器制作方法的流程图。
图3为实施例2电容式传感器的制作过程图。
图4为实施例2中PVA和MXene/PVA混合溶液的介电常数随温度的变化。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
柔性电容式温度传感器，如图1所示，所述柔性电容式温度传感器为顺排六方氮化硼/PVDF薄膜层、MXene/PVA薄膜层、六方氮化硼/PVDF薄膜层的三明治结构，所述三明治结构的上下外表面分别镀有金电极，以形成所述柔性电容式温度传感器的上、下电极。
在该柔性电容式温度传感器的三文治结构中，中间一层是MXene/PVA薄膜，高导电性的MXene和高绝缘性的聚合物基体之间存在界面极化，当温度超过60℃时，介电常数会出现急剧增大，PVA基体的迅速增大导致介电常数显著增大。同时在PVA中加入MXene纳米片，由于填充颗粒间的电渗流行为和导电颗粒相与聚合物相间的界面极化效应，能够获得较高的介电常数，而且由于引入了较多的界面极化，当温度升高时两相间的偶极子反转增强，因此介电常数相比与没有引入MXene纳米片时要上升更快。三文治结构中的上下两层为六方氮化硼/PVDF薄膜，一方面六方氮化硼可以抑制电极上的电荷注入到介质中，另一方面夹层结构层间的界面屏障效应，这两个原因使器件获得高的击穿强度，使其在高电场强度下也可工作。
另外，在六方氮化硼/PVDF薄膜层中，六方氮化硼含量为8.0wt％，8.0wt％的六方氮化硼含量既可提高电容器的击穿强度，又能够获得较高的介电系数；
在MXene/PVA薄膜层中，MXene含量为2.5wt％，2.5wt％的MXene含量下，电容器的介电常数理想，且介电损耗最低，从而使得柔性电容式温度传感器具有更好的性能。
本实施例的柔性电容式温度传感器，其柔韧性好，能够在一定温度范围内检测到温度的变化，具有较高的介电常数，较低的介电损耗和较高的击穿强度。
实施例2
柔性电容式温度传感器的制作方法，如图2、3所示，包括：
S1.取一块载玻片先后放入无水乙醇、DI水中分别进行超声清洗20min，随后放入鼓风干燥箱中烘干保持恒温70℃；以使后续涂布混合溶液后在烘干过程不会出现器件上下表面温度差过大，而导致收缩不均，器件弯曲的状况；
S2.将预配置的六方氮化硼/PVDF混合溶液均匀缓慢地涂布到步骤S1得到的载玻片上，在烘干箱内70℃下进行烘干得到六方氮化硼含量为8.0wt％的六方氮化硼/PVDF薄膜；
S3.将烘干后固化成型的六方氮化硼/PVDF薄膜放置在减压炉中以180℃退火6小时，以消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向，另一方面可以均匀材料组织和成分，改善材料性能；
S4.将预配置的MXene/PVA混合悬浮液进行超声处理，使其充分混合；
S5.将MXene/PVA混合悬浮液涂覆在步骤S3得到的六方氮化硼/PVDF薄膜上，然后在40℃下烘干，得到MXene含量为2.5wt％的MXene/PVA薄膜；
S6.重复步骤S2和S3，将得到的六方氮化硼/PVDF薄膜涂覆于步骤S5形成的结构上，制得顺排六方氮化硼/PVDF薄膜层、MXene/PVA薄膜层、六方氮化硼/PVDF薄膜层的三明治结构；
S7.利用溅射镀膜技术在所述三明治结构的上下外表面镀上金电极。
其中，六方氮化硼/PVDF混合溶液的预配置步骤包括：称取PVDF粉末2.5g，在60℃下通过磁力搅拌完全溶解在DMF溶剂中，得到PVDF溶液；称取六方氮化硼纳米片0.2g并通过超声处理溶解在DMF溶液中，得到和六方氮化硼悬浮液；将所述PVDF溶液和六方氮化硼悬浮液进行混合，在室温下通过磁力搅拌直至混合液无气泡产生。
其中，MXene/PVA混合悬浮液的预配置步骤包括：称取MXene粉末0.1g溶于DI水中，得到MXene溶液；往所述MXene溶液中加入4gPVA溶液进行混合，对混合溶液进行超声处理。如图4为该混合溶液介电常数随温度的变化示意图，可以看出当温度超过60℃时，介电常数会出现急剧增大，从而适用于检测温度的变化。
本实施例的柔性电容式温度传感器的制作方法，其制作过程简单且容易操作，制得的柔性电容式温度传感器柔韧性很好，可以自由地进行弯曲；在一定温度范围内检测温度的变化，热灵敏度高；且在高电场环境下可以正常工作，具有较高的介电常数。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.柔性电容式温度传感器，其特征在于，所述柔性电容式温度传感器为顺排六方氮化硼/PVDF薄膜层、MXene/PVA薄膜层、六方氮化硼/PVDF薄膜层的三明治结构，所述三明治结构的上下外表面分别镀有金电极，以形成所述柔性电容式温度传感器的上、下电极。
2.根据权利要求1所述的柔性电容式温度传感器，其特征在于，所述六方氮化硼/PVDF薄膜层中，六方氮化硼含量为8.0wt％。
3.根据权利要求1所述的柔性电容式温度传感器，其特征在于，所述MXene/PVA薄膜层中，MXene含量为2.5wt％。
4.柔性电容式温度传感器的制作方法，其特征在于，包括：
S1.取一块载玻片先后放入无水乙醇、DI水中进行超声清洗，随后放入鼓风干燥箱中烘干保持恒温70℃；
S2.将预配置的六方氮化硼/PVDF混合溶液涂布到步骤S1得到的载玻片上，在烘干箱内70℃下进行烘干得到六方氮化硼含量为8.0wt％的六方氮化硼/PVDF薄膜；
S3.对烘干后固化成型的六方氮化硼/PVDF薄膜进行退火处理；
S4.将预配置的MXene/PVA混合悬浮液进行超声处理，使其充分混合；
S5.将MXene/PVA混合悬浮液涂覆在步骤S3得到的六方氮化硼/PVDF薄膜上，然后在40℃下烘干，得到MXene含量为2.5wt％的MXene/PVA薄膜；
S6.重复步骤S2和S3，将得到的六方氮化硼/PVDF薄膜涂覆于步骤S5形成的结构上，制得顺排六方氮化硼/PVDF薄膜层、MXene/PVA薄膜层、六方氮化硼/PVDF薄膜层的三明治结构；
S7.利用溅射镀膜技术在所述三明治结构的上下外表面镀上金电极。
5.根据权利要求4所述的柔性电容式温度传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：取一块载玻片先后放入无水乙醇、DI水中分别进行超声清洗20min，随后放入鼓风干燥箱中烘干保持恒温70℃。
6.根据权利要求4所述的柔性电容式温度传感器的制作方法，其特征在于，所述六方氮化硼/PVDF混合溶液的预配置步骤包括：称取PVDF粉末2.5g，在60℃下通过磁力搅拌完全溶解在DMF溶剂中，得到PVDF溶液；称取六方氮化硼纳米片0.2g并通过超声处理溶解在DMF溶液中，得到和六方氮化硼悬浮液；将所述PVDF溶液和六方氮化硼悬浮液进行混合，在室温下通过磁力搅拌直至混合液无气泡产生。
7.根据权利要求4所述的柔性电容式温度传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：将烘干后固化成型的六方氮化硼/PVDF薄膜放置在减压炉中以180℃退火6小时。
8.根据权利要求4所述的柔性电容式温度传感器的制作方法，其特征在于，所述MXene/PVA混合悬浮液的预配置步骤包括：称取MXene粉末0.1g溶于DI水中，得到MXene溶液；往所述MXene溶液中加入4gPVA溶液进行混合，对混合溶液进行超声处理。
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