CN111964813B - 一种无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器及制备方法，包括将铁纳米颗粒混入PDMS基液中加入固化剂，形成PDMS混合液；以方糖为模板，利用磁铁使PDMS混合液在模板上生成纤毛；固化成膜，涂覆石墨烯片和纳米纤维素的混合溶液并烘干，制备电阻敏感材料；封装电阻式压力传感器得到柔性压力传感器。本发明引入了多孔结构减小了传感器的初始电流，使得在应力作用下提高了接触面积，改善了传感器的电特性，在保持良好灵敏度的前提下增大了传感器的工作范围。其灵敏度、线性度、响应时间等性能方面有了较大的提升。

Description

一种无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器及制备方法
技术领域
本发明属于柔性传感器领域，特别涉及一种无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器及制备方法。
背景技术
随着信息时代的到来，传感器作为获取外部信息的重要途径和方法无论在人们的生产生活还是国家的军事发展中都发挥着日益重要的作用。小到居家生活、医学诊断，大到工业生产、资源探测都离不开传感器的身影。可以说，传感器技术推动着经济发展，社会的进步。目前各国都将发展传感器技术作为一项重要国家战略。相信随着社会的发展，传感器技术与我们的联系将会更加紧密。
目前传感器技术正向着集成化、微小型化、智能化、网络化方向发展，传统的大体积传感器渐渐无法获取及处理当今世界日益激增的信息量，逐渐被体积小、灵敏度高、重量轻的微小型传感器所取代。材料科学的进步推动着传感器技术的发展，纳米材料的发明促使传感器向微小型化方向发展。此外，越来越多的人将传感器与电路或传感器阵列进行集成，推动其向集成化方向发展。
压阻式传感器利用材料的压阻效应将测量量转换为电信号输出。压阻式压力传感器灵敏度高、易于小型化微型化，目前已广泛应用在医学、化工及航空航天等领域。随着信息时代的发展，越来越多新兴的信号测量对传统基于硬质电路板的传感器提出了挑战。在此背景下，柔性电子器件应运而生。柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性，且结构灵活多样，在特殊的测量环境中显现出独特的优势，已广泛应用在环境监测、航空航天等领域。柔性压力传感器能附着于很多不规则的表面，在机器人皮肤、生物医学、智能服装等领域有着广泛的应用。本发明充分考虑到柔性电子器件的诸多优点，我们创新性地使用了新型的传感器的制作方法实现了高灵敏度、低反应时间、好的线性度，能够满足当前日益复杂的信息测量环境。
发明内容
本发明目的在于提供一种柔性压阻传感器及其制作方法，解决了目前压阻传感器灵敏速低、响应时间长等问题，实现了一种高灵敏度、响应时间短、线性度好的便携式压阻传感器，可广泛使用在柔性电子设备中，满足生活及生产中的诸多需求。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备电阻敏感材料：
将铁纳米颗粒混入PDMS基液中，均匀混合后加入固化剂，形成PDMS混合液；
以方糖为模板，将其浸入PDMS混合液中，将磁铁放置于盛有混合液的容器下方，使得PDMS混合液中的铁纳米颗粒受到磁场的影响在模板上生成纤毛；
将PDMS混合液加热固化形成薄膜，并将固化后的薄膜置于热水中以溶解其中的方糖；形成内部有多孔结构，表面有纤毛结构的薄膜；在薄膜有纤毛结构的一侧涂覆石墨烯片和纳米纤维素的混合溶液后烘干，得到电阻敏感材料；
S2，封装电阻式压力传感器：
将电阻敏感材料有纤毛结构的一侧贴合于柔性叉指电极之上，柔性叉指电极与超级电容相连，下方圆盘状线圈功率接收模块对超级电容器进行无线充电，自此完成柔性压力传感器的制备。
进一步，所述PDMS混合液为将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂、铁纳米颗粒以质量比为(5～15):1：(1～8)混合。
进一步，所述固化剂为道康宁184。
进一步，所述铁纳米颗粒直径为0.5～2μm。
进一步，PDMS混合液在60～70℃下加热2～3h进行固化。
进一步，石墨烯片溶液浓度为5mg/ml，纳米纤维素溶液浓度为3mg/ml，按照体积比为1：1混合。
进一步，通过多孔多级结构减小初始电流，随着0～500kPa压力作用下，阻值逐渐变小，柔性压力传感器的灵敏度达10000，响应时间低于3ms。
本发明进而给出了一种所述方法制备的无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器，包括超级电容、柔性叉指电极和电阻敏感材料，所述电阻敏感材料一个表面带有纤毛，所述柔性叉指电极排列在超级电容上表面，电阻敏感材料带有纤毛面与柔性叉指电极相接，柔性叉指电极与超级电容相连。
本发明与现有技术相比有以下优势：
1)本发明引入了多孔结构减小了传感器的初始电流。同时，多孔结构使得在应力作用下提高了接触面积，改善了传感器的电特性。
2)本发明引入了多级结构提高了结构的完整性。在保持良好灵敏度的前提下增大了传感器的工作范围。
3)本发明集成了超级电容器作为柔性传感器的储能及供电模块，通过线圈实现对超级电容器的无线充电，同时使用叉指电极作为压阻传感器的导电电极，相较于传统的压力传感器，通过多孔多级结构减小初始电流，在外部压力作用下，阻值变小，柔性压力传感器的灵敏度达10000，响应时间低于3ms。其灵敏度、线性度、响应时间等性能方面有了较大的提升。
本发明所提供的工艺方法简单操作，成本较低，适合大规模生产化的需要。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明传感器的装配示意图；
图2是本发明传感器的工作原理示意图；
图3是本发明传感器多级多孔结构敏感材料扫描电子显微镜的示意图；
图4是本发明传感器多级多孔结构截面扫描电子显微镜的示意图；
图5是本发明灵敏度的曲线图；
图6是本发明响应时间的曲线图；
图7是本发明在循环加载压力下的输出电流。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参考图1，一种基于PDMS多级多孔结构的新型柔性压阻传感器结构及制备方法如下：
首先，制备电阻敏感材料：
将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂道康宁184、铁纳米颗粒以质量比为(5～15):1：(1～8)配制电阻敏感材料，优选以质量比为10：1：6配制。
然后，将直径为0.5～2μm的铁纳米颗粒混入聚二甲基硅氧烷聚合物中，使用玻璃棒充分搅拌5min，均匀混合后加入固化剂，再使用玻璃棒充分搅拌5min，形成PDMS混合液。
然后，使用模板法引入多孔结构来提高传感器的灵敏度，以方糖为模板，将其浸入PDMS混合液中；将磁铁放置于盛有PDMS混合液的容器下方，使得PDMS混合液中的铁纳米颗粒受到磁场的影响在模板上生成纤毛。
然后，把PDMS混合液在60～70℃下加热2～3h进行固化，并将薄膜置于热水中以溶解方糖。形成内部有多孔结构，表面有纤毛结构的薄膜。
最后在薄膜有纤毛结构的一侧涂覆石墨烯片和纳米纤维素的混合溶液，石墨烯片溶液浓度为5mg/ml，纳米纤维素溶液浓度为3mg/ml，按照体积比为1：1混合，烘干后，完成电阻敏感材料的制备。
然后，封装电阻式压力传感器：
将电阻敏感材料有纤毛结构的一侧贴合于柔性叉指电极之上，柔性叉指电极与超级电容相连，下方圆盘状线圈功率接收模块对超级电容器进行无线充电，完成无线驱动的压力传感器的制备。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明制备方法和效果。
实施例1
将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂道康宁184、铁纳米颗粒以质量比为10：1：6配制电阻敏感材料。将直径为1.2μm的铁纳米颗粒混入聚二甲基硅氧烷聚合物中，搅拌5min，加入道康宁184，再搅拌5min，形成PDMS混合液。将方糖浸入PDMS混合液中；磁铁置于PDMS混合液的容器下方，在模板上生成纤毛。PDMS混合液在60℃下加热2h固化，形成多孔结构表面有纤毛的薄膜。在纤毛结构上涂覆石墨烯片和纳米纤维素的混合溶液，烘干，完成电阻敏感材料制备。
封装电阻式压力传感器：
将电阻敏感材料有纤毛结构的一侧贴合于柔性叉指电极之上，柔性叉指电极与超级电容相连，下方圆盘状线圈功率接收模块对超级电容器进行无线充电，完成无线驱动的压力传感器的制备。
实施例2
将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂道康宁184、铁纳米颗粒以质量比为5：1：8配制电阻敏感材料。将直径为2μm的铁纳米颗粒混入聚二甲基硅氧烷聚合物中，搅拌5min，加入道康宁184，再搅拌5min，形成PDMS混合液。将方糖浸入PDMS混合液中；磁铁置于PDMS混合液的容器下方，在模板上生成纤毛。PDMS混合液在60℃下加热2h固化，形成多孔结构表面有纤毛的薄膜。在纤毛结构上涂覆石墨烯片和纳米纤维素的混合溶液，烘干，完成电阻敏感材料制备。
封装电阻式压力传感器：
将电阻敏感材料有纤毛结构的一侧贴合于柔性叉指电极之上，柔性叉指电极与超级电容相连，下方圆盘状线圈功率接收模块对超级电容器进行无线充电，完成无线驱动的压力传感器的制备。
实施例3
将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂道康宁184、铁纳米颗粒以质量比为15:1：1配制电阻敏感材料。将直径为0.5μm的铁纳米颗粒混入聚二甲基硅氧烷聚合物中，搅拌5min，加入道康宁184，再搅拌5min，形成PDMS混合液。将方糖浸入PDMS混合液中；磁铁置于PDMS混合液的容器下方，在模板上生成纤毛。PDMS混合液在70℃下加热3h固化，形成多孔结构表面有纤毛的薄膜。在纤毛结构上涂覆石墨烯片和纳米纤维素的混合溶液，烘干，完成电阻敏感材料制备。
封装电阻式压力传感器：
将电阻敏感材料有纤毛结构的一侧贴合于柔性叉指电极之上，柔性叉指电极与超级电容相连，下方圆盘状线圈功率接收模块对超级电容器进行无线充电，完成无线驱动的压力传感器的制备。
本发明提供了一种基于PDMS多级多孔结构的柔性压阻传感器结构及制备方法，制备出了一个无线驱动的高灵敏度的柔性压力传感器。参考图1，基于PDMS多级多孔结构的柔性压阻传感器，包括电阻敏感材料1、柔性叉指电极2和超级电容3。电阻敏感材料一个表面带有纤毛，柔性叉指电极排列在超级电容3上表面，电阻敏感材料1带有纤毛面与柔性叉指电极2相接，柔性叉指电极2与超级电容3相连。
通过圆盘状线圈功率接收模块4对超级电容器进行无线充电。
压阻式传感器的工作原理是，利用材料的压阻效应将压力转换为电阻的变化，而其灵敏度与初始电流、一定压力下的阻值变化有关。因此我们可以通过减小初始电流及在一定压力作用下提高阻值的变化来提高传感器的灵敏度。我们通过利用方糖作为模板引入多孔结构，使传导路径变得不连续减小了传感器的初始电流。同时多孔结构也使得在有一定压力作用时，接触面积得到增大从而使得电阻的变化更大。通过磁铁及铁纳米粒子引入的多级结构扩大了传感器的工作范围，提高了传感器的稳定性。
如图2所示，当作用于传感器表面的压力增大时，涂覆在纤毛结构上的石墨烯片和纳米纤维素层与电极接触面积增大，压力的进一步增大使PDMS薄膜内部的孔与孔相接触，从而进一步提高了电极间阻值的变化量。利用扫描电子显微镜对PDMS薄膜进行了表征，观察制备的PDMS薄膜的表面及内部多孔结构如图3-4所示。
如图5所示，在一个实施例中制备的传感器在较宽范围内具有超过10000的灵敏度。如图6所示，制备的传感器恢复能力良好，同时响应时间低于3ms。如图7所示，对制备的传感器进行了0到500kpa的压力及大范围的循环加载-卸载测试，传感器表现出良好的稳定性。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制备电阻敏感材料：
将铁纳米颗粒混入PDMS基液中，均匀混合后加入固化剂，形成PDMS混合液；
以方糖为模板，将其浸入PDMS混合液中，将磁铁放置于盛有PDMS混合液的容器下方，使得PDMS混合液中的铁纳米颗粒受到磁场的影响在模板上生成纤毛；
所述PDMS混合液为将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂、铁纳米颗粒以质量比为(5～15):1：(1～8)混合；
将PDMS混合液加热固化形成薄膜，并将固化后的薄膜置于热水中以溶解其中的方糖；形成内部有多孔结构、表面有纤毛结构的薄膜；在薄膜有纤毛结构的一侧涂覆石墨烯片和纳米纤维素的混合溶液后烘干，得到电阻敏感材料；
S2，封装电阻式压力传感器：
将电阻敏感材料有纤毛结构的一侧贴合于柔性叉指电极之上，柔性叉指电极与超级电容相连，下方圆盘状线圈功率接收模块对超级电容器进行无线充电，自此完成柔性压力传感器的制备。
2.根据权利要求1所述的无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述固化剂为道康宁184。
3.根据权利要求1所述的无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述铁纳米颗粒直径为0.5～2μm。
4.根据权利要求1所述的无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，PDMS混合液在60～70℃下加热2～3h进行固化。
5.根据权利要求1所述的无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，石墨烯片溶液浓度为5mg/ml，纳米纤维素溶液浓度为3mg/ml，按照体积比为1：1混合。
6.根据权利要求1所述的无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，通过多孔多级结构减小初始电流，随着0～500kPa压力作用下，阻值逐渐变小，柔性压力传感器的灵敏度达10000，响应时间低于3ms。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述方法制备的无线驱动的高灵敏度柔性压力传感器，其特征在于，包括超级电容、柔性叉指电极和电阻敏感材料，所述电阻敏感材料一个表面带有纤毛，所述柔性叉指电极排列在超级电容上表面，电阻敏感材料带有纤毛面与柔性叉指电极相接，柔性叉指电极与超级电容相连。
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