CN111664970B - 一种自供电柔性压力传感器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感材料及器件技术领域，旨在提供一种自供电柔性压力传感器件的制备方法。包括：将聚偏氟乙烯粉末、银纳米线和纳米氧化锌颗粒加入有机溶剂中，室温下超声分散搅拌，悬浮液体系成膜获得柔性压电复合薄膜；将柔性压电复合薄膜浸没在酸液中，在室温下静置去除氧化锌纳米颗粒后，洗涤干燥，获得海绵状多孔柔性压电复合薄膜；在多孔柔性压电复合薄膜的两侧表面分别粘贴电极，进行极化处理以激活薄膜的压电性能；在两侧电极上粘附导线，得到自供电柔性压力传感器件。本发明工艺简单，可操作性和可重复性高。产品具有高灵敏的压力探测性能，能够检测微弱压应力变化；无需外部电源供电，可实现器件的小型化的多样化。
Description
技术领域
本发明属于传感材料及器件技术领域，特别涉及一种自供电柔性压力传感器件及其制备方法。
背景技术
5G通讯技术的广泛应用，将会极大推动大数据、移动互联网、物联网等相关产业的发展。作为新型互联网社会的基础，基于各种类型和各种功能传感器的数据采集成为后期数据分析、过程控制以及安全预警的关键环节。压力传感器是一种工业中常见的传感器，广泛应用于各种工业自控环境。近年来发展起来的柔性压力传感器，进一步扩展了压力传感器的应用范围。由于其特有的柔性，可以更好的与人体贴合，因此可以更好的监测人体在活动中的健康指标，例如心跳、脉搏、呼吸和躯体动作；此外，微型柔性压力传感器也可以更好的植入人体，检测胸腔、血管压力变化，为人类健康保驾护航。目前所发展的柔性压力传感器有压阻式、压电式、电容式或晶体管式，其中除了压电式压力传感器，其他类型的传感器在工作时都需要外部电能输入，这就大大限制了其使用场景和使用寿命。压电式压力传感器基于材料本身特有的压电特性，在压力作用下可产生压电势，进而在外电路产生电信号，因此这一类压力传感器无需外部供电，即可实现压力与电信号的线性转换。
在各类压电材料中，聚偏氟乙烯(PVDF)是一种兼具良好的压电性能与机械柔性的压电聚合物。然而传统的聚偏氟乙烯薄膜较为致密，在应力作用下，微观形变较小，加之聚合物内部电子迁移率很低，因此其对外部应力，特别是微弱的应力响应所产生的电压信号较弱且规律性不足，难以满足柔性压力传感需求，是制约聚偏氟乙烯在压力传感领域进一步发展的关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对目前技术中存在的问题，基于酸刻蚀的方法，提供了一种银纳米线/多孔聚偏氟乙烯的自供电柔性压力传感器件的制备方法。该方法采用的材料来源广泛，制备过程简单，得到的产品环境友好且性能优异。
提供一种自供电柔性压力传感器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚偏氟乙烯粉末、银纳米线和纳米氧化锌颗粒加入有机溶剂中，有机溶剂能溶解聚偏氟乙烯但不溶解纳米氧化锌颗粒和银纳米线；在室温下超声分散并搅拌，得到稳定的悬浮液体系；以常规方法成膜，获得柔性压电复合薄膜；
(2)将柔性压电复合薄膜浸没在酸液中，酸液能溶解纳米氧化锌颗粒但不溶解聚偏氟乙烯和银纳米线；在室温下静置去除氧化锌纳米颗粒后，洗涤干燥，获得海绵状多孔柔性压电复合薄膜；
(3)在多孔柔性压电复合薄膜的两侧表面分别粘贴电极，进行极化处理以激活薄膜的压电性能；在两侧电极上粘附导线，得到自供电柔性压力传感器件。
本发明所述步骤(1)中，聚偏氟乙烯与有机溶剂的质量比为1:10～1:5，纳米氧化锌颗粒与聚偏氟乙烯的质量比为1:5～1:1，银纳米线与聚偏氟乙烯的质量比为1:40～1:20。
本发明所述步骤(1)中，纳米氧化锌颗粒平均直径小于100nm；银纳米线的长径比大于10。
本发明所述步骤(1)中，有机溶剂是指N,N-二甲基甲酰胺。
本发明所述步骤(1)中，常规方法成膜方法是指旋涂法、滴涂法或流延法中的任意一种。
本发明所述步骤(2)中，所述酸液是质量百分比浓度为36％～37％的浓盐酸。
本发明所述步骤(2)中，静置的时间大于24h。
本发明所述步骤(3)中，所述电极是Al电极或Cu电极。
本发明所述步骤(3)中，进行极化处理时，控制极化电压使得薄膜刚好不被击穿。
本发明进一步提供了一种自供电柔性压力传感器件，包括柔性压电薄膜，其两侧的表面分别粘贴电极，在电极上粘附导线；所述柔性压电薄膜是海绵状多孔柔性压电复合薄膜，其基体材料是掺杂了银纳米线的聚偏氟乙烯，且银纳米线与聚偏氟乙烯的质量比为1:40～1:20。
发明原理描述：
本发明通过氧化锌纳米颗粒填充并酸浸去除的方法，制备了具有均匀多孔结构的压电薄膜。其中，纳米氧化锌颗粒的引入可诱导聚偏氟乙烯形成更多的压电β相，增加复合薄膜的压电性能；再进一步利用酸浸去除纳米氧化锌颗粒后，形成的微观多孔结构复合薄膜，在力的作用下产生更大的微观形变，提高复合薄膜对压力的灵敏度。
本发明通过引入高长径比的银纳米线，降低了多孔压电薄膜的内阻，增加了多孔复合压电薄膜内部的电子迁移率，进一步提升材料对微弱压力的灵敏性。
相比于现在已有技术，本发明的主要特点如下：
1)本发明的自供电柔性压力传感器件具有高灵敏的压力探测性能，能够检测微弱压应力变化。
2)本发明工艺简单，方法的可操作性和可重复性高。
3)本发明自供电柔性压力传感器件无需外部电源供电，可实现器件的小型化的多样化。
4)本发明的自供电柔性压力传感器件结构稳定，具有较好的柔性，可应用于电子皮肤、柔性电子触控、大数据监测等，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中，1为电极，2为海绵状多孔柔性压电复合薄膜，3为银纳米线。
图2是本发明制备的多孔结构复合薄膜的SEM图。
图3是实例1制备的自供电柔性压力传感器件在工作时输出电压与压力的关系图。
图4是实例2制备的自供电柔性压力传感器件在工作时输出电压与时间的关系图。
图5是实例3制备的自供电柔性压力传感器件在工作时输出电压与时间的关系图。
图6是对比例制备的自供电柔性压力传感器件在工作时输出电压与时间的关系图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式，具体阐释本发明的特点与优势。应当理解的是，以下所描述的具体实施方式仅用于说明并解释本发明，并不用于限制本发明。
除非有特殊说明，本发明中的所用的原材料，试剂与仪器设备等，均可在市场购买或已有方法进行制备。
实施例1
本实例以纳米氧化锌颗粒(ZnO)和银纳米线(Ag NWs)为填充材料，以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体材料，采用本发明所使用的方法，制备自供电柔性压力传感器件。
具体操作步骤如下：
1)将压电聚合物PVDF溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，其中PVDF与DMF的质量比为1:5，随后加入一定质量的ZnO，使得ZnO与PVDF的质量比为1:5，超声分散和搅拌；然后加入Ag NWs，其中Ag NWs的长径比为21，使得Ag NWs与PVDF的质量比为1:40，继续超声分散和搅拌，增强ZnO和Ag NWs的分散性。利用滴涂法制备压电复合薄膜，并置于真空烘箱中烘干，控制膜厚度在50μm。溶剂蒸发后，得到含有ZnO和Ag NWs的复合薄膜。
2)将含有ZnO和Ag NWs的复合薄膜浸泡在过量浓盐酸当中，其中浓盐酸质量百分比浓度为37％。静置36h后，将复合薄膜取出，并洗涤去除残留浓盐酸。烘干后，得到含有AgNWs的多孔复合薄膜。
2)在薄膜上下表面对称位置粘附大小相同的铝箔，作为器件电极，使用20V/μm的电压，对器件进行高压极化，极化时间控制在6h。极化后在上下表面粘附导线，得到自供电柔性压力传感器件。
本实例所述的柔性压电能量转化器件工作时的电压输出与压力大小的关系，如附图3所示。
实施例2
本实例以纳米氧化锌颗粒(ZnO)和银纳米线(Ag NWs)为填充材料，以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体材料，采用本发明所使用的方法，制备自供电柔性压力传感器件。
具体操作步骤如下：
1)将压电聚合物PVDF溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，其中PVDF与DMF的质量比为1:10，随后加入一定质量的ZnO，使得ZnO与PVDF的质量比为1:1，超声分散和搅拌；然后加入Ag NWs，其中Ag NWs的长径比为15，使得Ag NWs与PVDF的质量比为1:20，继续超声分散和搅拌，增强ZnO和Ag NWs的分散性。利用旋涂法制备压电复合薄膜，并置于真空烘箱中烘干，控制膜厚度在10μm。溶剂蒸发后，得到含有ZnO和Ag NWs的复合薄膜。
2)将含有ZnO和Ag NWs的复合薄膜浸泡在过量浓盐酸当中，其中浓盐酸质量百分比浓度为36％。静置30h后，将复合薄膜取出，并洗涤去除残留浓盐酸。烘干后，得到含有AgNWs的多孔复合薄膜。
2)在薄膜上下表面对称位置粘附大小相同的铜箔，作为器件电极，使用20V/μm的电压，对器件进行高压极化，极化时间控制在6h。极化后在上下表面粘附导线，得到自供电柔性压力传感器件。
本实例所述的柔性压电能量转化器件工作时的电压输出与压力大小的关系，如附图4所示。
实施例3
本实例以纳米氧化锌颗粒(ZnO)和银纳米线(Ag NWs)为填充材料，以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体材料，采用本发明所使用的方法，制备自供电柔性压力传感器件。
具体操作步骤如下：
1)将压电聚合物PVDF溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，其中PVDF与DMF的质量比为1:8，随后加入一定质量的ZnO，使得ZnO与PVDF的质量比为1:3，超声分散和搅拌；然后加入Ag NWs，其中Ag NWs的长径比为14，使得Ag NWs与PVDF的质量比为1:30，继续超声分散和搅拌，增强ZnO和Ag NWs的分散性。利用流延法制备压电复合薄膜，并置于真空烘箱中烘干，控制膜厚度在30μm。溶剂蒸发后，得到含有ZnO和Ag NWs的复合薄膜。
2)将含有ZnO和Ag NWs的复合薄膜浸泡在过量浓盐酸当中，其中浓盐酸质量百分比浓度为37％。静置32h后，将复合薄膜取出，并洗涤去除残留浓盐酸。烘干后，得到含有AgNWs的多孔复合薄膜。
2)在薄膜上下表面对称位置粘附大小相同的铝箔，作为器件电极，使用20V/μm的电压，对器件进行高压极化，极化时间控制在6h。极化后在上下表面粘附导线，得到自供电柔性压力传感器件。
本实例所述的柔性压电能量转化器件工作时的电压输出与压力大小的关系，如附图5所示。
对比例
本实例以纳米氧化锌颗粒(ZnO)和银纳米线(Ag NWs)为填充材料，以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体材料，采用本发明所使用的方法，制备自供电柔性压力传感器件。
具体操作步骤如下：
1)将压电聚合物PVDF溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，其中PVDF与DMF的质量比为1:10，随后加入一定质量的ZnO，使得ZnO与PVDF的质量比为1:2，超声分散和搅拌；然后加入Ag NWs，使得Ag NWs与PVDF的质量比为1:20，继续超声分散和搅拌，增强ZnO和Ag NWs的分散性。利用滴涂法制备压电复合薄膜，并置于真空烘箱中烘干，控制膜厚度在50μm。溶剂蒸发后，得到含有ZnO和Ag NWs的复合薄膜。
2)将含有ZnO和Ag NWs的复合薄膜浸泡在去离子水中。静置36h后，将复合薄膜取出，并洗涤。烘干后，得到含有Ag NWs的复合薄膜。
3)在薄膜上下表面对称位置粘附大小相同的铝箔，作为器件电极，使用20V/μm的电压，对器件进行高压极化，极化时间控制在6h。极化后在上下表面粘附导线，得到自供电柔性压力传感器件。
本实例所述的柔性压电能量转化器件工作时的电压输出与压力大小的关系，如附图6所示。
从各实例和对比例可以看出，由于本发明采用了氧化锌纳米颗粒及银纳米线掺杂的技术手段，诱导聚偏氟乙烯中产生更多的压电β相，并通过酸刻蚀的方法，得到具有海绵状多孔结构压电聚合物薄膜，增加了其在外应力作用下的形变。在两者的协同作用下，提升了本发明中自供电柔性压力传感器件的压电性能，从而达到高灵敏压力传感效果。
此外，结合实施例中所述的自供电柔性压力传感器件为优选的实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的保护范围内，可以对本发明的技术方案进行多种变化组合，都属于本发明的保护范围。
另外需要说明的，在上述实施方式中所描述的具体技术特征，在不相互矛盾的前提下，可进行自由组合，为避免重复，本发明对其他可能的组合形式不再另行说明。
Claims (8)
1.一种自供电柔性压力传感器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将聚偏氟乙烯粉末、银纳米线和纳米氧化锌颗粒加入有机溶剂中，有机溶剂能溶解聚偏氟乙烯但不溶解纳米氧化锌颗粒和银纳米线；在室温下超声分散并搅拌，得到稳定的悬浮液体系；以常规方法成膜，获得柔性压电复合薄膜；
所述聚偏氟乙烯与有机溶剂的质量比为1:10~1:5，纳米氧化锌颗粒与聚偏氟乙烯的质量比为1:5~1:1，银纳米线与聚偏氟乙烯的质量比为1:40~1:20；纳米氧化锌颗粒平均直径小于100nm；银纳米线的长径比大于10；
（2）将柔性压电复合薄膜浸没在酸液中，酸液能溶解纳米氧化锌颗粒但不溶解聚偏氟乙烯和银纳米线；在室温下静置去除氧化锌纳米颗粒后，洗涤干燥，获得海绵状多孔柔性压电复合薄膜；
（3）在多孔柔性压电复合薄膜的两侧表面分别粘贴电极，进行极化处理以激活薄膜的压电性能；在两侧电极上粘附导线，得到自供电柔性压力传感器件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，有机溶剂是指N, N-二甲基甲酰胺。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，常规方法成膜方法是指旋涂法、滴涂法或流延法中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述酸液是质量百分比浓度为36%~37%的浓盐酸。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，静置的时间大于24h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述电极是Al电极或Cu电极。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，进行极化处理时，控制极化电压使得薄膜刚好不被击穿。
8.一种自供电柔性压力传感器件，包括柔性压电薄膜，其两侧的表面分别粘贴电极，在电极上粘附导线；其特征在于，所述柔性压电薄膜是由权利要求1所述方法制备获得的海绵状多孔柔性压电复合薄膜，其基体材料是掺杂了银纳米线的聚偏氟乙烯，且银纳米线与聚偏氟乙烯的质量比为1:40~1:20。
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