CN111595506A - 一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器，该传感器包括外壳及置于所述外壳内微米级图案阵列基底和导电离子凝胶复合微纳米纤维。所述微米级图案阵列基底上设有呈微凸体的光刻图案；所述导电离子凝胶复合微纳米纤维附着在所述微米级图案阵列基底上，该导电离子凝胶复合微纳米纤维连有外接导线。同时本发明还公开了该传感器的制备方法。本发明利用了复合纤维微形变与微接触产生的压阻机制，实现柔性传感器法向压力和表面切向力的传感，可应用于表面物体接触时产生的摩擦力传感，对摩擦副之间摩擦力变化与摩擦状态的监测传感具有重大应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及柔性摩擦传感与监测技术领域，尤其涉及一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器及其制备方法。
背景技术
运动摩擦副状态监测对现代工业机械装备的稳定运行具有非常重要的作用。虽然摩擦过程的摩擦状态参数主要有摩擦力、摩擦热、摩擦振动等，但是摩擦副的稳定运行往往直接体现在平稳的摩擦力上，当摩擦副摩擦状态发生变化，摩擦力也随之改变。目前，针对摩擦副运行状态的监测主要集中在油润滑下，通过对油膜厚度的在线测量来判断油润滑状态。而针对干摩擦的摩擦副状态的监测主要依赖传感器与系统集成的结构设计，但专门针对摩擦力传感的器件还很缺乏。
静电纺丝是制造微纳米纤维的快速简便方法，得到的微纳米纤维材料因高比表面积与高长径比的优势、微纳米纤维之间复杂交错的结构以及对外界应力应变的灵敏响应，使其成为柔性力敏传感器的理想材料（Lee S, Sasaki D, Kim D, et al. Ultrasoftelectronics to monitor dynamically pulsing cardiomyocytes [J]. Nature Nanotechnology, 2019, 14(2): 156-160）。离子凝胶因其高拉伸、高导电以及不挥发性，不仅应用于柔性电极，也作为柔性传感器件的活性材料（Tee BCK, Wang C, Allen R, BaoZ. An electrically and mechanically self-healing composite with pressure- andflexion-sensitive properties for electronic skin applications [J]. Nature Nanotechnology, 2012, 7: 825.）。因此，本发明期望将二者制备成复合纤维，发挥柔韧性、灵敏形变，利用纤维之间微接触与形变引起活性材料整体电阻的灵敏变化来传感外界应力应变。此外结合图案微凸阵列设计，将传感器表面切向摩擦力转变为侧向纤维接触，从而灵敏探测表面摩擦力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种实现法向压力和表面切向力传感的基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器，其特征在于：该传感器包括外壳及置于所述外壳内微米级图案阵列基底和导电离子凝胶复合微纳米纤维；所述微米级图案阵列基底上设有呈微凸体的光刻图案；所述导电离子凝胶复合微纳米纤维附着在所述微米级图案阵列基底上，该导电离子凝胶复合微纳米纤维连有外接导线。
所述微米级图案阵列基底由聚合物材料构成，该聚合物材料是指聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）、聚氨酯（Polyurethane, PU）、聚酰亚胺（Polyimide, PI）中的一种或两种。
所述光刻图案是指正方形、圆柱形、矩形条纹、金字塔状中的任意一种微凸体，该微凸体两两间距在5~500 μm之间，且单个微凸体的边长或直径尺寸在1~300 μm之间。
所述导电离子凝胶复合微纳米纤维是指在以静电纺丝成形的聚合物微纳米纤维骨架材料的表面包覆有导电离子凝胶。
所述外接导线是指漆包线、铝箔、铜箔中的一种金属导线。
如上所述的一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
⑴将聚合物材料利用光刻法制备得到带有呈微凸体光刻图案的微米级图案阵列基底，并将所述微米级图案阵列基底裁剪成40×30×1 mm的矩形片后贴在收集装置上；
⑵将静电纺丝用聚合物溶质完全溶解于溶剂中，得到质量浓度为5~50 wt%的溶液，该溶液转移至注射器中，经注射泵对所述微米级图案阵列基底进行静电纺丝，经真空干燥处理后即得具有聚合物微纳米纤维骨架的基底；
⑶将所述具有聚合物微纳米纤维骨架的基底在离子凝胶前驱液中浸渍吸附2~30分钟，经紫外光固化5~50分钟，重复3~5次后干燥，即得附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维的基底；
⑷将所述附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维的基底连接外接导线（3），并面对面组装并封装入壳体，即得柔性力敏传感器。
所述步骤⑴中收集装置是指滚筒、平板、转盘、线圈方式中的一种。
所述步骤⑵中静电纺丝用聚合物溶质为聚乳酸（Polylactic acid, PLA）、聚乙二醇（Polyethylene glycol, PEG）、聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol, PVA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（Polylactic acid -glycolic acid copolymer, PLGA）、乙基纤维素（Ethyecellulose, EC）、聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride, PVDF）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）、聚己内酯（Polycaprolactone，PCL）、聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone, PVP）中的一种或几种。
所述步骤⑵中静电纺丝用聚合物的溶剂为乙醇、水、丙酮、二氯甲烷（Dichloromethane, DCM）、三氯甲烷、四氢呋喃（Tetrahydrofuran, THF）、苯、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺（Dimethylformamide，DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（Dimethylacetamide, DMAC）中的一种或几种。
所述步骤⑵中静电纺丝的条件是指环境温度为20℃~27℃、相对湿度为10%~50%、溶液流速为1 mL/h~4 mL/h、电势差为10 kV~20 kV、纺丝距离为10 cm~20 cm、纺丝时长为1h~2 h。
所述步骤⑶中离子凝胶前驱液是指将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[Bmim][BF4]）5~15g中加入1~5 mL体积浓度为37%的HCl中，用磁力搅拌器搅拌均匀后吹氮气 1min 再加入0.2~1.2 g硅酸四乙酯（TEOS）；充分搅拌 2 h 后将依次加入0.5~2.5 g N,N-二甲基丙烯酰胺（MBAA）、3~20 mg N,N-二甲基双丙烯酰胺和1~5 mg α-酮戊二酸（2-OA），搅拌均匀并吹氮气 1 min；密封并用锡箔纸做避光处理；于50℃烘干48 h 后，取出并开封，轻摇混匀即得；或离子凝胶前驱液是指将3~5 g丙烯酸丁酯（BA）和5~7 g 1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐（[Bmim][TFSI]）混合；加入0.03~0.05 g 2-羟基-2-甲基苯丙酮和1~1.4g己二醇二丙烯酸酯（HDDA），超声 5 分钟至均匀溶解即得。
所述附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维的基底面对面组装时，其上复合纤维的骨架材料是指同种或不同聚合物。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明以静电纺丝微纳米纤维为韧性骨架，导电离子凝胶包覆，制成活性传感材料，结合带有图案阵列设计的柔性基底，利用了复合纤维微形变与微接触产生的压阻机制，实现柔性传感器法向压力和表面切向力的传感，可应用于表面物体接触时产生的摩擦力传感，对摩擦副之间摩擦力变化与摩擦状态的监测传感具有重大应用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的制备流程图。
图3为本发明的力传感机制示意图。
图中：1—微米级图案阵列基底；2—导电离子凝胶复合微纳米纤维；3—外接导线。
具体实施方式
如图1所示，一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器，该传感器包括外壳及置于外壳内微米级图案阵列基底1和导电离子凝胶复合微纳米纤维2。微米级图案阵列基底1上设有呈微凸体的光刻图案；导电离子凝胶复合微纳米纤维2附着在微米级图案阵列基底1上，该导电离子凝胶复合微纳米纤维2连有外接导线3。
其中：微米级图案阵列基底1由聚合物材料构成，该聚合物材料是指聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）、聚氨酯（Polyurethane, PU）、聚酰亚胺（Polyimide,PI）中的一种或两种。
光刻图案是指正方形、圆柱形、矩形条纹、金字塔状中的任意一种微凸体，该微凸体两两间距在5~500 μm之间，且单个微凸体的边长或直径尺寸在1~300 μm之间。
导电离子凝胶复合微纳米纤维2是指在以静电纺丝成形的聚合物微纳米纤维骨架材料的表面包覆有导电离子凝胶。
外接导线3是指漆包线、铝箔、铜箔中的一种金属导线。
如图2所示，该基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
⑴将聚合物材料利用光刻法制备得到带有呈微凸体光刻图案的微米级图案阵列基底1，并将微米级图案阵列基底1裁剪成40×30×1 mm的矩形片后贴在收集装置上。
其中：收集装置是指滚筒、平板、转盘、线圈方式中的一种，得到的纤维可以是有序取向纤维或者无序随机排列纤维。
⑵将静电纺丝用聚合物溶质完全溶解于溶剂中，得到质量浓度为5~50 wt%的溶液，该溶液转移至注射器中，经注射泵对微米级图案阵列基底1进行静电纺丝，经真空干燥处理后即得具有聚合物微纳米纤维骨架的基底。
其中：静电纺丝用聚合物溶质为聚乳酸（Polylactic acid, PLA）、聚乙二醇（Polyethylene glycol, PEG）、聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol, PVA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（Polylactic acid -glycolic acid copolymer, PLGA）、乙基纤维素（Ethyecellulose, EC）、聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride, PVDF）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）、聚己内酯（Polycaprolactone，PCL）、聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone, PVP）中的一种或几种。
静电纺丝用聚合物的溶剂为乙醇、水、丙酮、二氯甲烷（Dichloromethane, DCM）、三氯甲烷、四氢呋喃（Tetrahydrofuran, THF）、苯、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺（Dimethylformamide，DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（Dimethylacetamide, DMAC）中的一种或几种。
静电纺丝的条件是指环境温度为20℃~27℃、相对湿度为10%~50%、溶液流速为1mL/h~4 mL/h、电势差为10 kV~20 kV、纺丝距离为10 cm~20 cm、纺丝时长为1h~2 h。
⑶将具有聚合物微纳米纤维骨架的基底在离子凝胶前驱液中浸渍吸附2~30分钟，经紫外光固化5~50分钟，重复3~5次后干燥，即得附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的基底。
其中：离子凝胶前驱液是指将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[Bmim][BF4]）5~15g中加入1~5 mL体积浓度为37%的HCl中，用磁力搅拌器搅拌均匀后吹氮气 1 min 再加入0.2~1.2 g硅酸四乙酯（TEOS）；充分搅拌 2 h 后将依次加入0.5~2.5 g N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAAM）、3~20 mg N,N-二甲基双丙烯酰胺（MBAA）和1~5 mg α-酮戊二酸（2-OA），搅拌均匀并吹氮气 1 min；密封并用锡箔纸做避光处理；于50℃烘干48 h 后，取出并开封，轻摇混匀即得。
或离子凝胶前驱液是指将3~5 g丙烯酸丁酯（BA）和5~7 g 1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐（[Bmim][TFSI]）混合；加入0.03~0.05 g 2-羟基-2-甲基苯丙酮（1173）和1~1.4 g己二醇二丙烯酸酯（HDDA），超声 5 分钟至均匀溶解即得。
⑷将附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的基底连接外接导线3，面对面组装并封装入壳体，即得柔性力敏传感器。在面对面组装时，其上复合纤维的骨架材料是指同种或不同聚合物。
该传感器的工作原理如图3所示，当接触物体在传感器外表面进行摩擦时，传感器内部微凸体表面的复合纤维传感器层发生切向的微形边和微位移。这些微纳米纤维自身发生拉伸或压缩的形变，根据电阻变化公式ΔR1=ρL/S（电阻率×长度/截面积），自身的电阻也相应发生变化，从而影响传感活性层发生变化。其次，这些附着在微凸表面的纤维受到外部切向力作用引起的形变而彼此之间发生微观的接触、分离以及纤维间接触面积的变化，从而产生接触电阻ΔR2变化，也会引起整个传感活性层的电阻变化。以上两种微观形变引起的微纳米纤维电阻，导致整个传感活性纤维层整体电阻变化ΔR=ΔR1+ΔR2，最终反应传感器表面的摩擦力（切向力）的变化。
实施例1 一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
⑴将聚合物材料PDMS利用光刻法制备得到长宽高均为50 μm，间距为50 μm，正方形微凸阵列和同样尺寸的凹坑形貌阵列的PDMS微米级图案阵列基底1，并将微米级图案阵列基底1裁剪为40×30×1 mm的矩形片，贴在收集装置上。
⑵将PLA粉末充分溶解于DCM中，得到10 wt%的均一透明溶液，该溶液转移至10 mL一次性注射器，注射器均安装27 G规格平口金属针头。经注射泵对微米级图案阵列基底1进行静电纺丝，PLA纺丝工艺参数分别为：环境温度27℃，相对湿度10%，溶液流速1 mL/h，电势差12 kV，纺丝距离10 cm，纺丝时长均为2 h，结束后取下附着纤维的柔性聚合物基底片放入75 ℃烘箱真空干燥4 h，即得具有聚合物微纳米纤维骨架的PDMS基底。
⑶将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[Bmim][BF4]）10g中加入4 mL体积浓度为37%的HCl中，用磁力搅拌器搅拌均匀后吹氮气 1 min 再加入0.8 g硅酸四乙酯（TEOS）；充分搅拌 2 h 后将依次加入1.2 g N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAAM）、10 mg N,N-二甲基双丙烯酰胺（MBAA）和4mg α-酮戊二酸（2-OA），搅拌均匀并吹氮气 1 min；密封并用锡箔纸做避光处理；于50℃烘干48 h 后，取出并开封，轻摇混匀，即得离子凝胶前驱液。
将具有聚合物微纳米纤维骨架的PDMS基底浸渍在离子凝胶前驱液中，吸附2~30分钟，经365 nm UV 5~50分钟，重复3~5次后，于真空 80 ℃保温 12h，即得附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的PDMS基底。
⑷将附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的PDMS基底连接外接导线3铜箔，面对面组装并利用PDMS将四周密封成壳体，即得柔性力敏传感器。
实施例2 一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
⑴将聚合物材料PU利用光刻法制备得到直径和高度均为50 μm，圆心间距为100 μm，圆柱体微凸阵列和同样尺寸的凹坑形貌阵列的PU微米级图案阵列基底1，并将微米级图案阵列基底1裁剪为40×30×1 mm的矩形片，贴在收集装置上。
⑵将PS粉末充分溶解于THF/DMF混合溶剂（1:1）中，得到20 wt%的均一透明溶液，该溶液转移至10 mL一次性注射器中，注射器均安装27 G规格平口金属针头。经注射泵对微米级图案阵列基底1进行静电纺丝，PS纺丝工艺参数分别为：环境温度25℃，相对湿度40%，溶液流速4 mL/h，电势差20 kV，纺丝距离15 cm，纺丝时长均为1.5 h，结束后取下附着纤维的柔性聚合物基底片放入75 ℃烘箱真空干燥4 h，即得具有聚合物微纳米纤维骨架的PU基底。
⑶将4 g丙烯酸丁酯（BA）和6 g 1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐（[Bmim][TFSI]）混合；加入0.04 g 2-羟基-2-甲基苯丙酮（1173）和1.2 g己二醇二丙烯酸酯（HDDA），超声 5 分钟至均匀溶解，即得离子凝胶前驱液。
将具有聚合物微纳米纤维骨架的PU基底浸渍在离子凝胶前驱液中，吸附2~30分钟，经365 nm UV 5~50分钟，重复3~5次后，于真空 60 ℃保温 12h，即得附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的PU基底。
⑷将附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的PU基底连接外接导线3铝箔，面对面组装并封装入壳体，即得柔性力敏传感器。
实施例3 一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
⑴将聚合物材料PI利用光刻法制备得到边长和高度均为50 μm，边间距为50μm，金字塔状微凸阵列和同样尺寸的凹坑形貌阵列的PI微米级图案阵列基底1，并将微米级图案阵列基底1裁剪为40×30×1 mm的矩形片，贴在收集装置上。
⑵将PVDF粉末充分溶解于丙酮/DMF混合溶剂（1:1）中，得到25 wt%的均一透明溶液，该溶液转移至10 mL一次性注射器中，注射器均安装27 G规格平口金属针头。经注射泵对微米级图案阵列基底1进行静电纺丝，PVDF纺丝工艺参数分别为：环境温度25℃，相对湿度45%，溶液流速1.5 mL/h，电势差18 kV，纺丝距离20 cm，采用15×15 cm静止平板收集方式，纺丝时长均为1h，结束后取下附着纤维的柔性聚合物基底片放入75 ℃烘箱真空干燥4h，即得具有聚合物微纳米纤维骨架的PI基底。
⑶将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[Bmim][BF4]）5g中加入1 mL体积浓度为37%的HCl中，用磁力搅拌器搅拌均匀后吹氮气 1 min 再加入0.2 g硅酸四乙酯（TEOS）；充分搅拌 2 h 后将依次加入0.5 g N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAAM）、3 mg N,N-二甲基双丙烯酰胺（MBAA）和1 mg α-酮戊二酸（2-OA），搅拌均匀并吹氮气 1 min；密封并用锡箔纸做避光处理；于50℃烘干48 h 后，取出并开封，轻摇混匀，即得离子凝胶前驱液。
将具有聚合物微纳米纤维骨架的PI基底浸渍在离子凝胶前驱液中，吸附2~30分钟，经365 nm UV 5~50分钟，重复3~5次后，于真空 80 ℃保温 12h，即得附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的PI基底。
⑷将附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的PI基底连接外接导线3铜箔，面对面组装并封装入壳体，即得柔性力敏传感器。
实施例4 一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
⑴将聚合物材料PDMS利用光刻法制备得到短边长和高度均为50 μm，边间距为50μm，矩形条纹阵列和同样尺寸的凹坑形貌阵列的PDMS微米级图案阵列基底1，并将微米级图案阵列基底1裁剪为40×30×1 mm的矩形片，贴在收集装置上。
⑵将EC粉末充分溶解于THF/DMAC混合溶剂（8:2）中，得到30 wt%的均一透明溶液，将该溶液转移至10 mL一次性注射器中，注射器均安装27 G规格平口金属针头。经注射泵对微米级图案阵列基底1进行静电纺丝，EC纺丝工艺参数分别为：环境温度20℃，相对湿度20%，溶液流速1.5 mL/h，电势差18 kV，纺丝距离15 cm，采用直径20×20 cm滚筒收集方式，纺丝时长均为2h，结束后取下附着纤维的柔性聚合物基底片放入75 ℃烘箱真空干燥4 h，即得具有聚合物微纳米纤维骨架的PDMS基底。
⑶将3 g丙烯酸丁酯（BA）和5 g 1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐（[Bmim][TFSI]）混合；加入0.03 g 2-羟基-2-甲基苯丙酮（1173）和1 g己二醇二丙烯酸酯（HDDA），超声 5 分钟至均匀溶解，即得离子凝胶前驱液。
将具有聚合物微纳米纤维骨架的PDMS基底浸渍在离子凝胶前驱液中，吸附2~30分钟，经365 nm UV 5~50分钟，重复3~5次后，于真空 60 ℃保温 12h，即得附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的PDMS基底。
⑷将附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的PDMS基底连接外接导线3铝箔，面对面组装并封装入壳体，即得柔性力敏传感器。
实施例5 一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
⑴将聚合物材料PI利用光刻法制备得到边长和高度均为50 μm，边间距为50μm，金字塔状微凸阵列和同样尺寸的凹坑形貌阵列的PI微米级图案阵列基底1，并将微米级图案阵列基底1裁剪为40×30×1 mm的矩形片，贴在收集装置上。
⑵将一片金字塔状微凸阵列的微米级图案阵列基底1固定在收集装置上准备收集静电纺丝纤维。将PCL粉末充分溶解于THF/DMF混合溶剂（1:1）中，得到15wt%的均一透明溶液，将该溶液转移至10 mL一次性注射器中，注射器均安装25 G规格平口金属针头。经注射泵对微米级图案阵列基底1进行静电纺丝。PCL纺丝工艺参数分别为：环境温度25℃，相对湿度45%，溶液流速1 mL/h，电势差12 kV，纺丝距离18 cm，采用16×16 cm静止平板收集方式，纺丝时长均为1h，结束后取下附着纤维的柔性聚合物基底片放入75 ℃烘箱真空干燥4 h，即得具有聚合物微纳米纤维骨架的PI基底（金字塔状微凸阵列）。
将另一片凹坑微米级图案阵列基底1固定在收集装置上准备收集静电纺丝纤维。将PEG充分溶解于三氯甲烷中，得到25 wt%的均一透明溶液，将该溶液转移至10 mL一次性注射器中，注射器均安装22G规格平口金属针头，进行静电纺丝。PEG纺丝工艺参数分别为：环境温度25℃，相对湿度50%，溶液流速1 mL/h，电势差10 kV，纺丝距离12 cm，采用16×16cm静止平板收集方式，纺丝时长均为1h，结束后75 ℃烘箱真空干燥4 h，即得具有聚合物微纳米纤维骨架的PI基底（凹坑）。
⑶将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[Bmim][BF4]）15g中加入5 mL体积浓度为37%的HCl中，用磁力搅拌器搅拌均匀后吹氮气 1 min 再加入1.2 g硅酸四乙酯（TEOS）；充分搅拌 2 h 后将依次加入2.5 g N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAAM）、20 mg N,N-二甲基双丙烯酰胺（MBAA）和5 mg α-酮戊二酸（2-OA），搅拌均匀并吹氮气 1 min；密封并用锡箔纸做避光处理；于50℃烘干48 h 后，取出并开封，轻摇混匀，即得离子凝胶前驱液。
将具有聚合物微纳米纤维骨架的PI基底（金字塔状微凸阵列）、具有聚合物微纳米纤维骨架的PI基底（凹坑）均浸渍在离子凝胶前驱液中，吸附2~30分钟，经365 nm UV 5~50分钟，重复3~5次后，于真空 80 ℃保温 12h，即得附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的PI基底。
⑷将附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维2的PI基底连接外接导线3铜箔，面对面组装并封装入壳体，即得柔性力敏传感器。
实施例6 一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法同实施例5。其中离子凝胶前驱液是指将5 g丙烯酸丁酯（BA）和7 g 1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐（[Bmim][TFSI]）混合；加入0.05 g 2-羟基-2-甲基苯丙酮（1173）和1.4 g己二醇二丙烯酸酯（HDDA），超声 5 分钟至均匀溶解即得。
应该理解，这里讨论的实施例和实施方案只是为了说明，对熟悉该领域的人可以提出各种改进和变化，这些改进和变化将包括在本申请的精神实质和范围以及所附的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器，其特征在于：该传感器包括外壳及置于所述外壳内微米级图案阵列基底（1）和导电离子凝胶复合微纳米纤维（2）；所述微米级图案阵列基底（1）上设有呈微凸体的光刻图案；所述导电离子凝胶复合微纳米纤维（2）附着在所述微米级图案阵列基底（1）上，该导电离子凝胶复合微纳米纤维（2）连有外接导线（3）。
2.如权利要求1所述的一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器，其特征在于：所述微米级图案阵列基底（1）由聚合物材料构成，该聚合物材料是指聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚酰亚胺中的一种或两种。
3.如权利要求1所述的一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器，其特征在于：所述光刻图案是指正方形、圆柱形、矩形条纹、金字塔状中的任意一种微凸体，该微凸体两两间距在5~500 μm之间，且单个微凸体的边长或直径尺寸在1~300 μm之间。
4.如权利要求1所述的一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器，其特征在于：所述导电离子凝胶复合微纳米纤维（2）是指在以静电纺丝成形的聚合物微纳米纤维骨架材料的表面包覆有导电离子凝胶。
5.如权利要求1所述的一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器，其特征在于：所述外接导线（3）是指漆包线、铝箔、铜箔中的一种金属导线。
6.如权利要求1所述的一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
⑴将聚合物材料利用光刻法制备得到带有呈微凸体光刻图案的微米级图案阵列基底（1），并将所述微米级图案阵列基底（1）裁剪成40×30×1 mm的矩形片后贴在收集装置上；
⑵将静电纺丝用聚合物溶质完全溶解于溶剂中，得到质量浓度为5~50 wt%的溶液，该溶液转移至注射器中，经注射泵对所述微米级图案阵列基底（1）进行静电纺丝，经真空干燥处理后即得具有聚合物微纳米纤维骨架的基底；
⑶将所述具有聚合物微纳米纤维骨架的基底在离子凝胶前驱液中浸渍吸附2~30分钟，经紫外光固化5~50分钟，重复3~5次后干燥，即得附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维（2）的基底；
⑷将所述附着有导电离子凝胶复合微纳米纤维（2）的基底连接外接导线（3），并面对面组装并封装入壳体，即得柔性力敏传感器。
7.如权利要求1所述的一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中静电纺丝用聚合物溶质为聚乳酸、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、乙基纤维素、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚己内酯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。
8.如权利要求1所述的一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中静电纺丝用聚合物的溶剂为乙醇、水、丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、苯、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。
9.如权利要求1所述的一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中静电纺丝的条件是指环境温度为20℃~27℃、相对湿度为10%~50%、溶液流速为1 mL/h~4 mL/h、电势差为10 kV~20 kV、纺丝距离为10 cm~20 cm、纺丝时长为1h~2 h。
10.如权利要求1所述的一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中离子凝胶前驱液是指将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐5~15g中加入1~5 mL体积浓度为37%的HCl中，用磁力搅拌器搅拌均匀后吹氮气 1 min 再加入0.2~1.2 g硅酸四乙酯；充分搅拌 2 h 后将依次加入0.5~2.5 g N,N-二甲基丙烯酰胺、3~20 mg N,N-二甲基双丙烯酰胺和1~5 mg α-酮戊二酸，搅拌均匀并吹氮气 1 min；密封并用锡箔纸做避光处理；于50℃烘干48 h 后，取出并开封，轻摇混匀即得；或离子凝胶前驱液是指将3~5 g丙烯酸丁酯和5~7 g 1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐混合；加入0.03~0.05 g 2-羟基-2-甲基苯丙酮和1~1.4 g己二醇二丙烯酸酯，超声 5 分钟至均匀溶解即得。
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