CN111623899A - 一种基于薄膜的电容式温度传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度传感器领域，更具体地，涉及一种基于薄膜的电容式温度传感器及其制作方法，包括有配合在一起的绝缘衬底和绝缘覆盖层，所述绝缘衬底和绝缘覆盖层之间设有敏感薄膜、电极。本发明能提高可拉伸传感器的灵敏度、响应速度、适用温度范围并兼具透明性，进而实现极端温度环境测试和人体运动情况实时监测。

Description

一种基于薄膜的电容式温度传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及温度传感器领域，更具体地，涉及一种基于薄膜的电容式温度传感器及其制作方法。

背景技术

柔性和可伸展的电子产品已经开发并应用于人机界面、植入式医疗传感器、可穿戴电子设备、人工躯体反射弧等领域。在上述应用中，温度传感是一个常见而且必要的部分，可以实时监测皮肤表面、周围环境和植入区域的温度，以帮助调整后续计划。一般来说，采用结构设计和材料创新两种策略来实现电子器件的柔韧性和伸缩性：如下方法：“岛-桥”、波浪和裂纹等结构设计，纳米材料如石墨烯，碳纳米管、MXenes和二硫化钼等、液态金属和水凝胶等用于材料创新。然而，由于结构工程设计和工艺的复杂性和繁琐性，设备制造成本高，产量低等问题使结构创新成为一高门槛的方案。另一方面，新材料既要具有生物相容性、长期稳定性、内在可拉伸性，又要与微加工工艺兼容，这也是一个挑战。对此，本身具备拉伸性与可塑造性的水凝胶成为一个突破口。

水凝胶是含有大量水的三维交联网络聚合物。与单网络水凝胶相比，已有研究表明，双网络水凝胶由于额外的交联方式、能量耗散和网络互连方式，在拉伸性能、韧性和回复性能方面表现更优异。由于水凝胶中含有丰富的水，离子可以快速扩散和迁移，使水凝胶可以应用于可拉伸离子导体、可拉伸温度传感器和软机器人驱动器。然而，在一般环境下干燥和低温冷冻的趋势严重降低了其应用范围和长期耐久性。目前报道的可伸缩温度传感器很少能同时满足高灵敏度和实时性监测的要求，特别是极端温度环境下。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的温度传感器不能满足高灵敏度和实时性监测的要求，提供一种基于薄膜的电容式温度传感器及其制作方法，以提高可拉伸传感器的灵敏度、响应速度、适用温度范围并兼具透明性，进而实现极端温度环境测试和人体运动情况实时监测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于薄膜的电容式温度传感器，其中，包括有配合在一起的绝缘衬底和绝缘覆盖层，所述绝缘衬底和绝缘覆盖层之间设有敏感薄膜、电极。

在一个实施方式中，绝缘衬底用作透明保护层。

在一个实施方式中，敏感薄膜用作温度敏感材料层。

在一个实施方式中，敏感薄膜采用聚丙烯酰胺/卡拉胶双网络水凝胶薄膜。

优选地，水凝胶薄膜经过盐溶液处理。

优选地，盐溶液为溴化锂。

在一个实施方式中，绝缘衬底和绝缘覆盖层采用聚二甲基硅氧烷或Ecoflex。

在一个实施方式中，电极采用导电银胶或石墨烯或MXenes材料制成。

优选地，电极与敏感薄膜相对于绝缘衬底处于同一层。

本发明提供一种基于薄膜的电容式温度传感器的制作方法，其中，包括如下步骤：

S1：采用六甲基二硅胺烷对石英玻璃基底进行硅烷化处理；

S2：在硅烷化处理后的石英玻璃基底上旋涂未聚合聚二甲基硅氧烷，经过加热聚合得到绝缘衬底；

S3：对S2步骤后的绝缘衬底进行Plasma等离子工艺处理，再旋涂丙烯酰胺/卡拉胶溶液，引入抗冻盐溶液，依次进行低温-紫外或紫外-低温聚合，得到聚合的抗冻水凝胶薄膜层；

S4：剪裁所得到的水凝胶薄膜得到温度敏感和形变敏感的水凝胶薄膜工作区；

S5：采用刷涂法在水凝胶薄膜工作区两端沉积导电银胶或Mxenes溶液或石墨烯溶液，低温固化得到电极；

S6：对步骤S5处理得到的水凝胶薄膜工作区上旋涂未聚合的聚二甲基硅氧烷，经过后续加热聚合得到绝缘覆盖层；

S7：将石英玻璃基底进行剥离处理，得到所述的基于薄膜的电容式温度传感器。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的基于薄膜的电容式温度传感器的制备方法中，薄膜的制备只需用到旋涂法，能制备出厚度均匀的绝缘层和敏感层，敏感层只需要一层即可实现温度的快速检测，电极沉积工艺无需昂贵的设备和繁琐的步骤，因此结构及工艺步骤简单。

附图说明

图1为本发明基于薄膜的电容式温度传感器的结构示意图。

图2为本发明基于薄膜的电容式温度传感器的制备工艺流程图。

图3为本发明基于薄膜的电容式温度传感器的光学透过率图。

图4为本发明基于薄膜的电容式温度传感器的水凝胶薄膜在不同盐溶液引入时的冰点。

图5为本发明基于薄膜的电容式温度传感器的静态温度响应图。

图6为本发明基于薄膜的电容式温度传感器的多功能应用之不同运动状态呼吸频率监测。

图7为本发明基于薄膜的电容式温度传感器的多功能应用之不同运动状态呼吸频率监测。

图中，1-绝缘衬底，2-敏感薄膜，3-电极，4-绝缘覆盖层，5-石英玻璃基底，6-六甲基二硅胺烷，7-石英玻璃基底。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；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。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此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，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例：

如图1所示，本发明提供基于薄膜的电容式温度传感器，包括绝缘衬底1、敏感薄膜2、电极3以及绝缘覆盖层4；其中绝缘衬底和绝缘覆盖层用作透明的可拉伸保护层，其材料包括聚二甲基硅氧烷和Ecoflex；敏感薄膜2用作温度敏感和形变敏感材料层，其材料包括抗冻盐溶液修饰的聚丙烯酰胺/卡拉胶双网络水凝胶，双网络水凝胶包括第一聚合物网络和第二聚合物网络，第一聚合物网络可以为通过共价键化学交联的高分子聚合物网络结构，第一聚合物网络可选自聚丙烯酰胺、聚苯胺、聚乙烯胺中的一种或多种。第一聚合物网络由单体、交联剂、引发剂通过聚合交联反应得到。二聚合物网络可以为通过离子键物理交联的网络结构，例如可选自卡拉胶、硫酸软骨素、明胶、海藻酸盐中的一种或多种；电极沉积在敏感材料两端，并在同一水平面上，异于寻常的电极沉积与敏感材料两面的结构。

本发明以电极-水凝胶-电极作为横向电容结构为等效模型，通过介质层尺寸和介电常数随温度的变化，转化为等效电容模型的参数变化，从而实现高灵敏温度检测。

本发明每一层应在实现该层功能前提下尽可能减少厚度，以达到更高的光学透过率和更轻的整体质量，提高穿戴舒适性。

电极3的材料选择应在保证高电导率的前提下，使材料沉积工艺的温度条件尽可能接近室温，以降低对敏感层材料的影响和整体工艺的温度要求，材料可采常温固化用导电银胶、石墨烯溶液和MXenes溶液等。

如图2所示，本发明基于薄膜的电容式温度传感器的制备方法主要包括以下工艺步骤：

S1：采用六甲基二硅胺烷对石英玻璃基底进行硅烷化处理；

S2：步骤S1完成后，得到硅烷化处理后的石英玻璃基底上旋涂未聚合聚二甲基硅氧烷，经过后续60-80℃加热1-3小时聚合得到所述的聚二甲基硅氧烷绝缘衬底；本步骤的硅烷化处理具体为将石英玻璃基底浸润在六甲基二硅胺烷中或在基底上滴涂少量六甲基二硅胺烷，带表面湿润后90℃加热至基底表面干燥。目的是便于步骤S6中剥离工艺能有效地将传感器平整地从基底上脱落，旋涂速度为200-3000rpm，优选为500rpm。

S3：步骤S2完成后，对步骤S2中的聚二甲基硅氧烷衬底进行Plasma等离子工艺处理以将聚二甲基硅氧烷表面亲水化，便于敏感材料层的黏附契合，Plasma处理气氛可选择空气或氧气，处理时间与功率为5分钟-15分钟，150W-300W；再旋涂丙烯酰胺/卡拉胶溶液，其中聚丙烯酰胺的聚合方式为热聚合或光聚合，优选为光聚合；通过浸泡或表面浸润的方式引入抗冻盐溶液，其中盐溶液包括质量分数为10％-60％的溴化锂溶液，10％-45％的氯化锂溶液，10％-30％的氯化钙溶液等，优选为50％溴化锂溶液。浸泡时间为30分钟-24小时，优选为2小时。然后依次进行低温(3-10℃)-紫外或紫外-低温(3-10℃)聚合，其中低温或紫外照射的时间分别都为30分钟-2小时，优选为1小时。得到聚合的抗冻水凝胶薄膜层，本步骤中的聚合过程包括在浸泡盐溶液的过程中,旋涂速度为300-2000rpm，优选500rpm。

S4：步骤S3完成后，剪裁所得到的水凝胶薄膜得到温度敏感和形变敏感的水凝胶薄膜工作区，采用滤纸、无尘布多次按压或扫掠，或真空抽滤、干燥空气、惰性气体吹扫等方式排除水凝胶薄膜及聚二甲基硅氧烷衬底表面的盐溶液。

S5：步骤S4完成后，采用刷涂法、喷涂法、刮涂法等在凝胶两端沉积导电银胶或Mxenes溶液或石墨烯溶液，低温(10-60℃)固化得到所述的电极。

S6：对步骤S5处理得到的薄膜上旋涂未聚合的聚二甲基硅氧烷，经过后续加热聚合得到所述的聚二甲基硅氧烷绝缘覆盖层，旋涂速度为200-3000rpm，优选500rpm。

S7：将石英玻璃基底进行剥离处理，得到所述的基于薄膜的电容式温度传感器。

如图3所示，本发明基于薄膜的电容式温度传感器具备高光学透过率，以优选的500rpm旋涂速度制备每一层材料后，所得到的传感器在可见光波段的光学透过率均超过90％。

如图4所示，本发明基于薄膜的电容式温度传感器的水凝胶薄膜层在不同盐溶液修饰后的差示扫描热量法测定的结果，峰值为该材料的冰点，所述的水凝胶经过50％溴化锂溶液处理后，冰点低于-120℃，有效扩展了传感器的使用温度，使之能在极低温度下工作。

如图5所示，以500rpm旋涂速度、50％溴化锂溶液处理2小时制备而得的传感器为例，其电容响应在55-96℃范围内线性灵敏度为24.54％/℃，远高于目前的所有可拉伸温度传感器。该传感器在零下温度低至-28℃环境下，仍能保持正常工作，工作温度下限值远低于目前的可拉伸温度传感器。

如图6和图7所示，以500rpm旋涂速度、50％溴化锂溶液处理2小时制备而得的传感器为例，本发明基于薄膜的电容式温度传感器响应和恢复速度快，分别为0.19秒和0.08秒，能实时监测不同运动状态的人体呼吸频率，如跳绳后30秒和快速跑步后30s秒的呼吸频率分别为30次/分钟和43次/分钟,符合客观事实，体现本发明的温度传感器的实际应用能力。

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 (10)

1.一种基于薄膜的电容式温度传感器，其特征在于，包括有配合在一起的绝缘衬底(1)和绝缘覆盖层(4)，所述绝缘衬底(1)和绝缘覆盖层(4)之间设有敏感薄膜(2)、电极(3)。

2.根据权利要求1所述的基于薄膜的电容式温度传感器，其特征在于，所述绝缘衬底(1)用作透明保护层。

3.根据权利要求1所述的基于薄膜的电容式温度传感器，其特征在于，所述敏感薄膜(2)用作温度敏感材料层。

4.根据权利要求1所述的基于薄膜的电容式温度传感器，其特征在于，所述敏感薄膜(2)采用聚丙烯酰胺/卡拉胶双网络水凝胶薄膜。

5.根据权利要求4所述的基于薄膜的电容式温度传感器，其特征在于，所述水凝胶薄膜经过盐溶液处理。

6.根据权利要求5所述的基于薄膜的电容式温度传感器，其特征在于，所述盐溶液为溴化锂。

7.根据权利要求1所述的基于薄膜的电容式温度传感器，其特征在于，所述绝缘衬底(1)和绝缘覆盖层(4)采用聚二甲基硅氧烷或Ecoflex。

8.根据权利要求1所述的基于薄膜的电容式温度传感器，其特征在于，所述电极(3)采用导电银胶或石墨烯或MXenes材料制成。

9.根据权利要求8所述的基于薄膜的电容式温度传感器，其特征在于，所述电极(3)与敏感薄膜(2)相对于绝缘衬底(1)处于同一层。

10.一种基于薄膜的电容式温度传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采用六甲基二硅胺烷(6)对石英玻璃基底(5)进行硅烷化处理；

S2：在硅烷化处理后的石英玻璃基底(7)上旋涂未聚合聚二甲基硅氧烷，经过加热聚合得到绝缘衬底(1)；

S3：对S2步骤后的绝缘衬底(1)进行Plasma等离子工艺处理，再旋涂丙烯酰胺/卡拉胶溶液(8)，引入抗冻盐溶液，依次进行低温-紫外或紫外-低温聚合，得到聚合的抗冻水凝胶薄膜层；

S4：剪裁所得到的水凝胶薄膜得到温度敏感和形变敏感的水凝胶薄膜工作区；

S5：采用刷涂法在水凝胶薄膜工作区两端沉积导电银胶或Mxenes溶液或石墨烯溶液，低温固化得到电极(3)；

S6：对步骤S5处理得到的水凝胶薄膜工作区上旋涂未聚合的聚二甲基硅氧烷，经过后续加热聚合得到绝缘覆盖层(4)；

S7：将石英玻璃基底(7)进行剥离处理，得到所述的基于薄膜的电容式温度传感器。

Images