CN111721190A - 一种具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计方法。基于电化学氧化还原反应设计直流驱动离子水凝胶应变传感器，其中，将聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶浸入Cu(NO3)2溶液中，引入Cu2+，相应的铜电极离子水凝胶应变传感器的灵敏度、信噪比和可靠性都有了显著提高。这是由于Cu2+在信号传输过程中还原速度较快，水凝胶内部离子浓度相对稳定的原因。由此产生的离子水凝胶应变传感器具有非常宽的传感范围(从0.005％到2500％)，能够提供高灵敏度、可靠和精确的全范围人类活动监测。这种新策略可以很容易地推广到其他离子水凝胶和电极以及自驱动电化学系统，为各种高性能自供电直流驱动的离子水凝胶应变传感器的制造提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及离子水凝胶应变传感器，特别地，涉及具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计。
背景技术
导电水凝胶具有良好的拉伸性能、固有的灵活性和可穿戴性，在人体活动监测、健康检测和植入式装置等方面具有广阔的应用前景。根据导电机理，水凝胶可分为两种类型：电子水凝胶和离子水凝胶。电子水凝胶是指含有由纳米材料或导电聚合物组成的电子导电网络的一类水凝胶。作为粘弹性材料，由于导电网络的粘滞变形引起的动态变化，其对外力的电响应通常表现出噪声。同时，导电填料与水凝胶基质之间的弱界面在变形过程中会引起导电网络的不可逆运动或重新排列。因此，尽管在很大程度上提高了电子水凝胶的灵敏度方面取得了很大的进展，其实际应用仍然受到低信噪比和响应可靠性较弱的限制。离子水凝胶应变传感器由于其在外力作用下具有稳定的导电通道，制备工艺简单，具有广阔的应用前景。各种离子水凝胶型电容型和电阻型应变传感器已经被开发出来，但是到目前为止，这些传感器的灵敏度相对较低，因此对人体脉搏、面部表情、发声等细微的生理活动的检测能力较弱。此外，离子水凝胶传感器一般由交流电驱动，限制了其在可穿戴设备上的应用。近年来，一些研究报道了直流驱动的红外传感器，用于实时监测全范围的人体运动。然而，离子水凝胶在直流电子电路中的电流传输机制一直没有给出，因此缺乏理论指导来解决直流离子水凝胶电阻应变传感器灵敏度低、信噪比低等问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，提供一种工艺简单的直流离子水凝胶电阻应变传感器的设计方法，制造的自供电的应变传感器成本低、性能高；同时，这种新策略可以很容易地推广到其他离子水凝胶和电极以及自驱动电化学系统，为各种高性能直流离子水凝胶电阻应变传感器的制造提供指导。
本发明的目的在于提供一种具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计方法，具体体现在以下几个方面：
(1)一种具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计方法，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤1、通过热聚合或者光聚合得到聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶；
步骤2、将PAM水凝胶浸入到一定浓度的Cu(NO3)2溶液中一段时间；
步骤3、将步骤2得到的水凝胶两端连接到两个不同的铜电极上，集成离子水凝胶电阻应变传感器。
(2)根据上述(1)所述的设计方法，其中，在步骤2中，所述Cu(NO3)2的浓度为0.01～2M，优选为0.05～1.5M，更优选为0.05～1M；
(3)根据上述(1)至(2)所述的设计方法，其中，在步骤2中，
所述浸入Cu(NO3)2溶液中的时间为10～120min，优选为20～80min；更优选为30～60min；
(4)根据上述(1)至(3)所述的设计方法，其中，在步骤3中，离子水凝胶电阻应变传感器所用电压为0.1～5V，优选为0.1～2V；更优选为0.1～0.5V；
(5)根据上述(1)至(4)所述的传感器，具有非常宽的传感范围，应变范围从0.005％到1500％，能够准确地检测出人体的全范围运动。
(6)根据上述(1)至(5)所述的设计方法，这个方法很容易扩展到其他所有的离子水凝胶-电极系统(水凝胶含有的离子与电极相对应)，如：Zn2+水凝胶-Zn电极，Cl￣水凝胶-Ag/AgCl电极以及自驱动电化学系统，如：Zn电极/Zn2+水凝胶/MnO2电极。
附图说明
图1示出实施例1所制得水凝胶的电流传输过程中电化学氧化还原反应示意图；
图2为实施例2所制得的离子水凝胶应变传感器应变-相对电阻变化曲线；
图3为实施例1所制得的离子水凝胶应变传感器应变-相对电阻变化循环稳定性；
图4为对实施例1和对比例2制得的水凝胶传感器进行不同形变拉伸时相对电阻随时间的变化曲线；
图5为实施例1制得的离子水凝胶应变传感器对膝盖弯曲的检测。
具体实施方式
下面通过实施例和实验例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。本发明提供一种具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、通过热聚合或者光聚合得到聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶；
步骤2、将PAM水凝胶浸入到一定浓度的Cu(NO3)2溶液中一段时间；
步骤3、将步骤2得到的水凝胶两端连接到两个不同的铜电极上，集成离子水凝胶电阻应变传感器。
在本发明中，基于电化学氧化还原反应的原理，将PAM水凝胶浸入Cu(NO3)2溶液中，原因在于：当对连接普通铜(Cu)电极含有Na+的离子水凝胶上直接施加直流电压时，对于阳极，铜电极被氧化成Cu2+或Cu+；阴极水电离的H+还原成H2，伴随着OH-的生成。然后Cu2+与OH-相互反应在水凝胶内部生成Cu(OH)2。离子水凝胶由于氢原子解吸速度慢、水凝胶内部化学成分变化导致H+还原速度慢，因此灵敏度低、信噪比低、响应可靠性差。在此基础上，提出用Cu2+取代Na+来解决这些问题。在信号传输过程中，阳极产生Cu2+，阴极消耗Cu2+，从而保持相对恒定的Cu2+浓度和稳定的电响应。同时，Cu2+还原速率的加快，使水凝胶具有较高的灵敏度和信噪比。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤2中，所述Cu(NO3)2的浓度为0.01～2M，
在进一步优选的实施方式中，在步骤2中优选为0.05～1.5M，
在更进一步优选的实施方式中，在步骤2中更优选为0.05～1M。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤2中所述浸入Cu(NO3)2溶液中的时间为10～120min，
在进一步优选的实施方式中，在步骤2中优选为20～80min；在更进一步优选的实施方式中，在步骤2中更优选为30～60min。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤3中，离子水凝胶电阻应变传感器所用电压为0.1～5V，
在进一步优选的实施方式中，在步骤3中，优选为0.1～2V；在更进一步优选的实施方式中，在步骤3中，更优选为0.1～0.5V。
根据本发明一种优选的实施方式，根据所述方法得到的离子水凝胶电阻应变传感器，具有非常宽的传感范围。
在进一步优选的实施方式中，所述离子水凝胶电阻应变传感器应变范围在0.005％到2500％之间。
在更进一步优选的实施方式中，所述离子水凝胶电阻应变传感器能够准确地检测出人体的全范围运动。
根据本发明一种优选的实施方式，所述方法具有普适性，可扩展到其他所有的离子水凝胶-电极系统(不局限与PAM水凝胶，只要水凝胶中含有的离子与电极相对应)，如：Zn2+水凝胶-Zn电极，Cl￣水凝胶-Ag/AgCl电极以及自驱动电化学系统，如：Zn电极/Zn2+水凝胶/MnO2电极。本发明所具有的有益效果包括：
(1)本发明所述制备方法简单，通过用含有Cu2+水凝胶取代含有Na+的水凝胶，直流驱动的离子水凝胶传感器的灵敏度、信噪比和可靠性都有了显著提高。
(2)利用本发明所述制备的传感器能够提供高度敏感、可靠和精确的全范围人类活动监测。
(3)本发明提出的传感器新的设计策略可以很容易地推广到其他所有离子水凝胶电极系统以及离子水凝胶自驱动电极系统中，为制造具有多种定制功能的高性能自供电直流驱动离子水凝胶电阻应变传感器开辟了新途径，从而促进了基于水凝胶的应变传感器的实际应用。
实施例
以下通过具体实施例进一步描述本发明。不过这些实施例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。
实施例1
通过热聚合或者光聚合得到聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶A；将水凝胶A浸入到0.5M的Cu(NO3)2溶液中30min得到水凝胶B；
将得到的水凝胶B两端连接到两个不同的铜电极上，集成离子水凝胶电阻应变传感器，直流通电0.5V。如图1所示为水凝胶的电流传输过程中电化学氧化还原反应示意图。
实施例2
重复实施例1的过程，区别在于，将实施例1中Cu(NO3)2溶液浓度改为0.05M。
实施例3
重复实施例1的过程，区别在于，将实施例1中Cu(NO3)2溶液浓度改为0.1M。
对比例
对比例1
重复实施例1的过程，区别在于：将PAM水凝胶浸入到0.5MNaCl溶液中。
对比例2
重复实施例1的过程，区别在于：将PAM水凝胶浸入到1MNaCl溶液中。
对比例3
重复实施例1的过程，区别在于：将PAM水凝胶浸入到1.5MNaCl溶液中。
性能测试
1.对实施例1制得的水凝胶传感器进行拉伸过程中相对电阻的变化测试，结果如图2所示，在图中可以看出在拉伸过程中表现出显著的电阻变化。
2.对实施例1制得的水凝胶传感器进行拉伸过程中稳定性测试，结果如图3所示，在图中可以看出凝胶具有优异的多次循环稳定性。。
3.对实施例1和对比例2制得的水凝胶传感器进行不同形变拉伸时相对电阻随时间的变化，结果如图4所示，在图中可以看出含有Cu2+凝胶在形变为0.005％具有良好的灵敏性，而含有Na+凝胶在形变小于0.5％时，电响应稳定性和可重复性很差。
4.实施例1制得的水凝胶传感器进行膝关节在坐下、站起奔跑运动时的弯曲测试结果如图5所示，在图中可以看出凝胶具有优异的传感性能。
以上结合优选实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本发明的阐述性解释，并不对本发明的保护范围构成任何限制。在不超出本发明精神和保护范围的情况下，可以对本发明技术内容及其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本发明的保护范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种具有超宽传感范围和超高信噪比直流驱动离子水凝胶应变传感器的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、通过热聚合或者光聚合得到聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶；
步骤2、将PAM水凝胶浸入到一定浓度的Cu(NO3)2溶液中一段时间；
步骤3、将步骤2得到的水凝胶两端连接到两个不同的铜电极上，集成离子水凝胶电阻应变传感器。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其中，在步骤2中，
所述Cu(NO3)2的浓度为0.01～2M，优选为0.05～1.5M，更优选为0.05～1M；
3.根据权利要求1或2所述的设计方法，其中，在步骤2中，
所述浸入Cu(NO3)2溶液中的时间为10～120min，优选为20～80min；更优选为30～60min；
4.根据权利要求1至3任一所述的设计方法，其中，在步骤3中，离子水凝胶电阻应变传感器所用电压为0.1～5V，优选为0.1～2V；更优选为0.1～0.5V；
5.根据权利要求1至4任一所述制备的传感器，具有非常宽的传感范围，应变范围从0.005％到2500％以上，能够准确地检测出人体的全范围运动。
6.根据权利要求1至5任一所述的设计方法，这个方法很容易扩展到其他所有的离子水凝胶-电极系统(不局限与PAM水凝胶，只要水凝胶中含有的离子与电极相对应)，如：Zn2+水凝胶-Zn电极，Cl￣水凝胶-Ag/AgCl电极以及自驱动电化学系统，如：Zn电极/Zn2+水凝胶/MnO2电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200929 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |