CN111609954A - 一种柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性压力传感器及其制备方法。柔性压力传感器包括用于作为柔性传感器的基础底座的柔性基底、用于将施加在所述柔性压力传感器上的压力信号转换成电信号的导电织物和用于输出所述电信号的电极层,其中,导电织物包括纺织物和导电填料,导电填料包括导电聚合物和导电微结构材料。本发明实施例所提供的柔性传感器采用了多种导电材料复合而成的导电织物,对压力有明显的电学响应特性,同时兼具宽的检测范围和高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器的技术领域,特别是涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
随着电子信息时代的来临,物联网正在逐渐进入人们生活的方方面面。作为物联网触角的传感器随之迎来了迅猛发展,传感器在机械损伤感应、气体泄漏监测、质量监测、运动监测等方面被广泛的应用。传统的传感器大多是由金属材质或者无机半导体材质构成,测量范围窄,柔韧性差,不能满足复杂的传感场景需求。此外,传统的传感器复杂的制备工艺和高昂的制造成本也制约了其进一步的应用和发展。
柔性压力传感器是近年来研发的方向,其工作原理是将一系列力学信号(如外加压力等)转换为依据传感器电阻变化而变化的电信号;通过施加外力,改变感测材料的导电路径而产生电阻效应,从而改变电阻值;通过预先建立的检测电路,可根据电信号的变化直接检测电阻,从而检测力学信号的变化。柔性压力传感器具有检测范围广、信号易获取及实验测试设备简单等优势。
在实际使用过程中,宽的检测范围和高的灵敏度往往不能兼具,在拥有宽的检测范围时,灵敏度不高;反之亦然。这极大地限制了柔性传感器在人工智能、人机交互和运动检测领域的应用。另外,高昂的制作成本和复杂的制备工艺是制约柔性传感器广泛应用的另一难题。
因此,针对上述技术问题,有必要提供同时兼具宽的检测范围和高的灵敏度,兼顾低成本的柔性传感器及其制备方法。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例的目的在于提供一种同时兼具宽的检测范围和高的灵敏度,兼顾低成本的柔性传感器及其制备方法。本发明实施例所提供的柔性传感器采用了多种导电材料复合而成的导电织物,对压力有明显的电学响应特性,同时兼具宽的检测范围和高的灵敏度。
为了实现上述目的,本发明一实施例提供的技术方案如下:一种柔性压力传感器,包括:柔性基底,用于作为柔性传感器的基础底座;导电织物,用于将施加在所述柔性压力传感器上的压力信号转换成电信号;所述导电织物包括纺织物和导电填料,所述导电填料包括多种导电材料;电极层,用于输出所述电信号。
作为本发明的进一步改进,所述纺织物包括棉质纺织物、化纤纺织物和蚕丝纺织物中的一种或者多种。
作为本发明的进一步改进,所述导电材料包括导电聚合物和导电微纳结构材料。
作为本发明的进一步改进,所述导电聚合物的材料包括聚噻吩、聚吡咯和聚苯胺中的一种或者多种。
作为本发明的进一步改进,所述导电纳米线的材料包括聚噻吩纳米线、金纳米线、铜纳米线和银纳米线中的一种或者多种。
作为本发明的进一步改进,所述柔性基底的材料包括聚二甲基硅氧烷、涤纶树脂和聚酰亚胺中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进,所述电极层的材料包括聚噻吩纳米线、金纳米线、铜纳米线、银纳米线及导电石墨烯片中。
本发明实施例还提供一种用于制备上述任意一种柔性压力传感器的方法,包括步骤S1:在预设形状的模具上制备所述柔性压力传感器的柔性基底;步骤S2:在所述步骤S1所获得的柔性基底上,转移一层导电电极作为所述柔性压力传感器的电极层;步骤S3:在洁净的纺织物上沉积一层导电填料,制成所述柔性压力传感器的导电织物;其中,所述导电填料包括多种导电材料;步骤S4:制备一层基底,将其作为所述柔性压力传感器的封装层;所述封装层将所述导电织物和步骤S2所获得的电极层封装在一起。
作为本发明的进一步改进,所述导电材料包括导电聚合物和导电微纳结构材料。
本发明具有以下优点:
本发明实施例所提供的柔性传感器采用了多种导电材料复合而成的导电织物,对压力有明显的电学响应特性,同时兼具宽的检测范围和高的灵敏度。本发明实施例提供的制备柔性传感器的方法中所涉及的导电织物是基于溶液化加工制备,采用溶液化地方式将导电填料沉积至纺织物上,制备出导电织物的有效层,制备工艺简单、成本低廉且材料利用率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种柔性压力传感器的结构模块示意图;
图2为图1所示实施例对应的一种柔性压力传感器的结构示意图;
图3为图2中导电织物的在20um显微镜下的电子显微镜示意图;
图4为图3所示导电织物的电学性能的示意图;
图5为本发明实施例制备图1所示柔性压力传感器的方法流程示意图。
附图中的标记说明:
100、柔性传感器 10、柔性基底 20、导电织物
30、电极层 22、纺织物 24、导电填料
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,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。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示,本发明第一实施例提供一种柔性压力传感器100。柔性压力传感器100包括用于作为柔性传感器的基础底座的柔性基底10、用于将施加在所述柔性压力传感器上的压力信号转换成电信号的导电织物20和用于输出所述电信号的电极层30。
如图3所示,本发明实施例中导电织物的在20um显微镜下的电子显微镜示意图。在该实施例中,导电织物20包括纺织物22和导电填料24。导电填料24包括多种导电材料,导电材料包括导电聚合物和导电微纳结构材料。导电聚合物的材料包括聚噻吩、聚吡咯和聚苯胺中的一种或者多种。导电微纳结构材料包括聚噻吩纳米线、金纳米线、铜纳米线、银纳米线及导电石墨烯片等中的一种或者多种。导电填料24采用多种导电材料可以利用不同种导电材料的特性,综合获得导电灵敏性与宽范围检测能力的兼容特性。如有的导电材料具有优越的导电灵敏性,有的导电材料具有优越的宽范围导电性能。纺织物20包括棉质纺织物、化纤纺织物和蚕丝纺织物中的一种或者多种。纺织物20具有良好的形变能力和柔软性,从而有效地作为导电填料的负载物。如图4所示,图3所示导电织物的电学性能的示意图。由图4可知,制作的导电织物在大范围压力区间显示出宽的检测范围,最大可以检测到700kPa的压力。在2kPa的小压力区间内,表现出高的灵敏度,达到7.35kPa-1。充分说明导电织物可以兼具高灵敏度和宽检测范围,既可以检测微小压力,又可以检测大压力,满足人工智能、人机交互和机器人领域的使用需求。
继续参考图1,柔性基底10的材料包括聚二甲基硅氧烷、涤纶树脂和聚酰亚胺中的一种或多种。电极层30的材料包括铜箔、银浆和碳纳米管中的一种或者多种。
本发明实施例所提供的柔性传感器采用了多种导电材料复合而成的导电织物,对压力有明显的电学响应特性,同时兼具宽的检测范围和高的灵敏度。
如图5所示,本发明实施例还提供一种制备上述柔性压力传感器100的方法。该方法大致包括四个步骤,每个步骤的详细内容如下所述。
步骤S1:在预设形状的模具上制备所述柔性压力传感器的柔性基底。
步骤S2:在所述步骤S1所获得的柔性基底上,转移一层导电电极作为所述柔性压力传感器的电极层。
步骤S3:在洁净的纺织物上沉积一层导电填料,制成所述柔性压力传感器的导电织物;其中,所述导电填料包括多种导电材料。导电材料包括导电聚合物和导电微纳结构材料。
步骤S4:制备一层基底,将其作为所述柔性压力传感器的封装层;所述封装层将所述导电织物和步骤S2所获得的电极层封装在一起。
本发明实施例提供的制备柔性传感器的方法中所涉及的导电织物是基于溶液化加工制备,采用溶液化的方式将导电填料沉积至纺织物上,制备出导电织物的有效层,制备工艺简单、成本低廉且材料利用率高。
下面结合柔性传感器的实际制作过程,详细阐述五种具体实施例的详细制备过程。
制备方法实施例一:
将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物倒在制作好的预设模具中,将模具放在加热台上加热,固化后揭下,作为整个柔性压力传感器的柔性基底。将一块洁净的纺织布放入无水乙醇和去离子水中洗涤30分钟后,放入烘箱中烘干,得到清洗过的纺织布原材料。其中,烘箱设置为60℃,3小时。在烧杯中放入适量的氯化铁(FeCl3)水溶液,将纺织布放入混合均匀的氯化铁(FeCl3)水溶液中,在振荡台上振荡30分钟。将配置好的钠十二烷基苯磺酸盐表面活性剂(SDBS)的水溶液、3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)/聚苯乙烯磺酸钠(PSS)(2:1)水溶液和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)纳米线(PEDOT NWs)的混合溶液,倒入含有纺织布的氯化铁(FeCl3)水溶液中。室温下,用玻璃棒搅拌一小时,使溶液充分混合均匀。将混合均匀的溶液放置在振荡台上,室温下振荡一小时,使聚合过程充分进行,导电填料沉积在纺织布上。得到的深蓝色面料分别用无水乙醇和去离子水洗涤,在60℃真空干燥8小时,得到制备好的导电织物。使用铜箔作为导电电极粘附在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物将导电织物和电极封装在一起,制备成性能优异的柔性压力传感器。
制备方法实施例二:
将脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)预聚物倒在制作好的模具中,放在加热台上加热,固化后揭下,作为整个柔性压力传感器的柔性基底。将一块洁净的纺织布放入无水乙醇和去离子水中洗涤30分钟,放入烘箱中烘干,得到清洗过的纺织布原材料。其中,烘箱设置为60℃,3小时。在烧杯中放入适量的氯化铁(FeCl3)水溶液,将纺织布放入混合均匀的氯化铁(FeCl3)水溶液中,在振荡台上振荡30分钟。将配置好的钠十二烷基苯磺酸盐表面活性剂(SDBS)的水溶液、3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)/聚苯乙烯磺酸钠(PSS)(2:1)水溶液和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)纳米线(PEDOT NWs)的混合溶液,倒入含有纺织布的氯化铁(FeCl3)水溶液中,室温下,用玻璃棒搅拌一小时,使溶液充分混合均匀。将混合均匀的溶液放置在振荡台上,室温下振荡一小时,使聚合过程充分进行,导电填料沉积在纺织布上。得到的深蓝色面料分别用无水乙醇和去离子水洗涤,在60℃真空干燥8小时,得到制备好的导电织物。使用铜箔作为导电电极粘附在脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)基底上,使用脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)预聚物将导电织物和电极封装在一起,制备成性能优异的柔性压力传感器。
制备方法实施例三:
将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物倒在制作好的模具中,放在加热台上加热,固化后揭下,作为整个柔性压力传感器的柔性基底。将一块洁净的纺织布放入无水乙醇和去离子水中洗涤30分钟,放入烘箱中烘干,得到清洗过的纺织布原材料。其中,烘箱设置为60℃,3小时。在烧杯中放入适量的氯化铁(FeCl3)水溶液,将纺织布放入混合均匀的氯化铁(FeCl3)水溶液中,在振荡台上振荡30分钟。将配置好的钠十二烷基苯磺酸盐表面活性剂(SDBS)的水溶液、3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)/聚苯乙烯磺酸钠(PSS)(2:1)水溶液和银纳米线(Ag NWs)的混合溶液,倒入含有纺织布的氯化铁(FeCl3)水溶液中,室温下,用玻璃棒搅拌一小时,使溶液充分混合均匀。将混合均匀的溶液放置在振荡台上,室温下振荡一小时,使聚合过程充分进行,导电填料沉积在纺织布上。得到的深蓝色面料分别用无水乙醇和去离子水洗涤,在60℃真空干燥8小时,得到制备好的导电织物。使用铜箔作为导电电极粘附在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物将导电织物和电极封装在一起,制备成性能优异的柔性压力传感器。
制备方法实施例四:
将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物倒在制作好的模具中,放在加热台上加热,固化后揭下,作为整个柔性压力传感器的柔性基底。将一块洁净的纺织布放入无水乙醇和去离子水中洗涤30分钟,放入烘箱中烘干,得到清洗过的纺织布原材料。其中,烘箱设置为60℃,3小时。在烧杯中放入适量的氯化铁(FeCl3)水溶液,将纺织布放入混合均匀的氯化铁(FeCl3)水溶液中,在振荡台上振荡30分钟。将配置好的钠十二烷基苯磺酸盐表面活性剂(SDBS)的水溶液、3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)/聚苯乙烯磺酸钠(PSS)(2:1)水溶液和铜纳米线(Cu NWs)的混合溶液,倒入含有纺织布的氯化铁(FeCl3)水溶液中,室温下,用玻璃棒搅拌一小时,使溶液充分混合均匀。将混合均匀的溶液放置在振荡台上,室温下振荡一小时,使聚合过程充分进行,导电填料沉积在纺织布上。得到的深蓝色面料分别用无水乙醇和去离子水洗涤,在60℃真空干燥8小时,得到制备好的导电织物。使用铜箔作为导电电极粘附在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物将导电织物和电极封装在一起,制备成性能优异的柔性压力传感器。
制备方法实施例五:
将脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)预聚物倒在制作好的模具中,放在加热台上加热,固化后揭下,作为整个柔性压力传感器的柔性基底。将一块洁净的纺织布放入无水乙醇和去离子水中洗涤30分钟,放入烘箱中烘干,得到清洗过的纺织布原材料。其中,烘箱设置为60℃,3小时。在烧杯中放入适量的氯化铁(FeCl3)水溶液,将纺织布放入混合均匀的氯化铁(FeCl3)水溶液中,在振荡台上振荡30分钟。将配置好的钠十二烷基苯磺酸盐表面活性剂(SDBS)的水溶液、3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)/聚苯乙烯磺酸钠(PSS)(2:1)水溶液和金纳米线(Au NWs)的混合溶液,倒入含有纺织布的氯化铁(FeCl3)水溶液中,室温下,用玻璃棒搅拌一小时,使溶液充分混合均匀。将混合均匀的溶液放置在振荡台上,室温下振荡一小时,使聚合过程充分进行,导电填料沉积在纺织布上。得到的深蓝色面料分别用无水乙醇和去离子水洗涤,在60℃真空干燥8小时,得到制备好的导电织物。使用铜箔作为导电电极粘附在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物将导电织物和电极封装在一起,制备成性能优异的柔性压力传感器。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种柔性压力传感器,其特征在于,所述柔性压力传感器包括:
柔性基底,用于作为柔性传感器的基础底座;
导电织物,用于将施加在所述柔性压力传感器上的压力信号转换成电信号;所述导电织物包括纺织物和导电填料,所述导电填料包括多种导电材料;
电极层,用于输出所述电信号。
2.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器,其特征在于,所述纺织物包括棉质纺织物、化纤纺织物和蚕丝纺织物中的一种或者多种。
3.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器,其特征在于,所述导电材料包括导电聚合物和导电微纳结构材料。
4.根据权利要求3所述的一种柔性压力传感器,其特征在于,所述导电聚合物的材料包括聚噻吩、聚吡咯和聚苯胺中的一种或者多种。
5.根据权利要求3所述的一种柔性压力传感器,其特征在于,所述和导电微纳结构材料包括聚噻吩纳米线、金纳米线、铜纳米线、银纳米线及导电石墨烯片中的一种或者多种。
6.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器,其特征在于,所述柔性基底的材料包括聚二甲基硅氧烷、涤纶树脂和聚酰亚胺中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器,其特征在于,所述电极层的材料包括铜箔、银浆和碳纳米管中的一种或者多种。
8.一种用于制备上述权利要求1至7中任意一种柔性压力传感器的方法,其特征在于,所述方法包括步骤:
步骤S1:在预设形状的模具上制备所述柔性压力传感器的柔性基底;
步骤S2:在所述步骤S1所获得的柔性基底上,转移一层导电电极作为所述柔性压力传感器的电极层;
步骤S3:在洁净的纺织物上沉积一层导电填料,制成所述柔性压力传感器的导电织物;其中,所述导电填料包括多种导电材料;
步骤S4:制备一层基底,将其作为所述柔性压力传感器的封装层;所述封装层将所述导电织物和步骤S2所获得的电极层封装在一起。
9.根据权利要求8所述的一种制备柔性传感器的方法,其特征在于,所述导电材料包括导电聚合物和导电微纳结构材料。
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