CN112880851B - 一种可穿戴式温度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种可穿戴式温度传感器及其制备方法，属于温度传感器领域；该传感器包括下层导热双面胶带、NiO/Ni异质结骨架、金属电极、导线和上层导热双面胶带；NiO/Ni异质结骨架、金属电极、导线夹装于下层导热双面胶带、上层导热双面胶带之间；采用一步原位氧化法制备NiO/Ni异质结骨架，制备方法简单；采用双面导热胶带对器件进行封装和与皮肤直接贴合，易制备且具有很强的便携性。本发明提供的一种可穿戴式温度传感器的制备方法，方法简单，价格低廉，适用于大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于温度传感器领域，具体涉及一种可穿戴式温度传感器及其制备方法。
背景技术
随着电子科学技术和信息技术的不断发展，可穿戴电子设备得到了广泛的关注和发展。其中，可穿戴温度传感器被用于实时监测人体体温和环境温度，在未来有望应用到智能医疗、人机界面等领域。温度传感器多为热电偶和热电阻式传感器，其中热电偶式传感器基于领热端两个半导体产生的塞贝克效应进行电势差的测量，热电阻式传感器基于半导体或导体的热敏阻变特性对温度进行测量。目前，可穿戴的温度传感器均采用特殊的工艺(如直接混合、丝网印刷、激光直写等)将热敏材料与柔性基底相结合从而实现可穿戴的特性。然而，该类方法制作流程复杂、制备成本高、器件稳定性低，对可穿戴温度传感器的应用产生了极大的限制。
文献1“Flexible Wireless Temperature Sensors Based on NiMicroparticle-Filled Binary Polymer Composites.Adv.Mater.2013,25,850–855.”报道了一种基于Ni微粒填充的聚乙烯/聚环氧乙烷双聚合物复合材料的可穿戴温度传感器，利用具有正温度系数的Ni微粒和半结晶聚合物，实现了对人体温度范围的传感。然而，在器件温度变化过程中，聚合物网络形貌会发生变化，导致基于聚合物的的温度传感器传感稳定性差、重复性低，在实际应用中具有较大的误差。此外，该温度传感器的探测温度范围仅为35–42℃，温度范围小。
文献2“Sensitive Wearable Temperature Sensor with Seamless MonolithicIntegration.Adv.Mater.2019,1905527.”报道了一种利用激光直写技术，在聚对苯二甲酸乙二脂(PET)基底上制备基于NiO纳米颗粒和Ni电极的可穿戴温度传感器。然而，其制备步骤繁琐、设备要求高、精准度控制难度大，且通过激光直写过程中聚乙烯基吡咯烷酮热分解将NiO还原为Ni电极的方法可控性低。此外，该温度传感器的探测温度范围为25–70℃，仅适用于高于室温的温度传感，应用较为局限。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可穿戴式温度传感器及其制备方法，采用NiO/Ni异质结骨架、金属电极装夹于导热双面胶带之间的结构，克服现有可穿戴式温度传感器工艺复杂、实用性差、稳定性差的问题，具有灵敏度高、重复性好、尺寸小、可穿戴性好、生物兼容性高。
本发明的技术方案是：一种可穿戴式温度传感器，其特征在于：包括下层导热双面胶带、NiO/Ni异质结骨架、金属电极、导线和上层导热双面胶带；所述NiO/Ni异质结骨架下表面黏结于下层导热双面胶带上；两个金属电极分别连接有导线，并固定于NiO/Ni异质结骨架上表面；所述上层导热双面胶带覆盖于NiO/Ni异质结骨架、金属电极和导线的上表面，其外缘与下层导热双面胶带黏合封装。
本发明的进一步技术方案是：所述NiO/Ni异质结骨架由泡沫Ni骨架一步法原位氧化得到。
本发明的进一步技术方案是：所述导热双面胶带的材质为亚克力聚合物和有机硅胶的复合材料。
本发明的进一步技术方案是：所述金属电极为金属Ag或者Au。
本发明的进一步技术方案是：所述金属电极的厚度为10～50μm。
本发明的进一步技术方案是：所述导热双面胶带的厚度为0.15～0.5mm。
本发明的进一步技术方案是：所述NiO/Ni异质结骨架的厚度为0.2～1mm；所述NiO/Ni异质结骨架中，NiO层的厚度为2～4μm。
一种可穿戴式温度传感器的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：将厚度为0.2～1mm的商用泡沫Ni骨架裁剪成面积为(4～8)×(4～8)mm2的片状，置于浓度为0.2～0.5M的HCl水溶液超声处理5～15min，随后再将所述片状泡沫Ni骨架置于无水乙醇中超声处理5～15min，最后将所述片状泡沫Ni骨架置于去离子水中超声处理5～15min，并在50～60℃下烘干30～60min；
步骤二：将步骤一处理后的片状泡沫Ni骨架在马弗炉中热处理，气氛为空气，热处理温度为700～900℃，热处理时间为1～4h，升温速率为5～10℃·min-1，降温速率为5～10℃·min-1；将片状泡沫Ni骨架氧化为NiO/Ni异质结骨架；
步骤三：将步骤二得到的NiO/Ni异质结骨架黏附于下层导热双面胶带上；
步骤四：利用涂覆法，将导电银胶刷涂在所述NiO/Ni异质结骨架上表面，制备得到两个金属电极，两个金属电极位于NiO/Ni异质结骨架上表面的两侧，分别距离两侧边缘1～2mm处，金属电极的厚度为10～50μm；
步骤五：将上层导热双面胶带覆盖于步骤四中的两个金属电极、及与两个金属电极连接的两根导线上，将两根导线一端与两个金属电极固定，并与下层导热双面胶带黏合，对整体传感器进行封装；两根导线的另一端延伸于传感器外。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤三、步骤五中，导热双面胶带的尺寸为(8～10)×(8～10)mm2，确保器件能完整封装。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤四中，金属电极的制备方法为涂覆法、蒸镀法或磁控溅射法。
有益效果
本发明的有益效果在于：(1)本发明提供的一种可穿戴式温度传感器及其制备方法，包括导热双面胶带、NiO/Ni异质结骨架、金属电极和导线构成的传感器件，以及原位氧化制备异质结的方法。其中所述热敏NiO/Ni异质结骨架材料选用泡沫Ni为前驱体，原料易得、价格低廉；采用一步原位氧化法制备NiO/Ni异质结骨架，制备方法简单；采用双面导热胶带对器件进行封装和与皮肤直接贴合，易制备且具有很强的便携性。(2)本发明提供的一种可穿戴式温度传感器，器件灵敏度高、性能稳定且探测温度范围大。其工作原理为：NiO/Ni异质结中NiO层为热敏层，电阻随着温度的变化而改变，Ni层为电子传输层，工作过程中，电子依次经过电极、NiO、Ni、NiO、电极，实现电子的高效传输。器件的NiO/Ni异质结结构具有优异的电子传输性能，有效降低器件的电阻，降低工作电压，有利于可穿戴实用化。(3)本发明提供的一种可穿戴式温度传感器的制备方法，方法简单，价格低廉，适用于大规模工业化生产。
附图说明
图1为本发明方法实施例中可穿戴式温度传感器的三维结构示意图；
图2为本发明方法实施例中NiO/Ni异质结骨架及其截面的示意图；
图3为本发明方法实施例中NiO/Ni异质结骨架的X射线衍射(XRD)图谱；
图4为本发明方法实施例中可穿戴式温度传感器在不同温度下的电流-电压(I-V)曲线；
图5为本发明方法实施例中可穿戴式温度传感器在不同温度区间下的温度系数。
附图标记说明：1.下层导热双面胶带，2.NiO/Ni异质结骨架，3.金属电极，4.导线，5.上层导热双面胶带，6.NiO层，7.Ni层。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的一种可穿戴式温度传感器，该温度传感器包括：下层导热双面胶带1、NiO/Ni异质结骨架2、金属电极3、导线4和上层导热双面胶带5。NiO/Ni异质结骨架2下表面黏结于下层导热双面胶带1上，两个金属电极3、导线4与NiO/Ni异质结骨架2上表面固定连接，上层导热双面胶带5覆盖NiO/Ni异质结骨架2上表面，并与下层导热双面胶带黏合封装。两根导线4一端与两个金属电极3固定，另一端延伸于传感器外。
如图2所示，上述可穿戴式温度传感器中，NiO/Ni异质结骨架2是由泡沫Ni骨架在空气气氛和700～900℃温度下原位氧化获得的。由于泡沫Ni骨架为中空结构，因此Ni的内外表面被氧化成厚度为2～4μm的NiO层6。由于NiO具有隔绝氧气的作用，导致内外层中间留有未氧化的Ni层7，从而形成三明治结构的NiO/Ni异质结骨架。
如图3所示，NiO/Ni异质结骨架的XRD图谱具有明显的NiO和Ni的特征峰，且无其它杂质物相峰，表明可获得纯NiO和Ni的物相。
如图4所示，上述可穿戴式温度传感器在不同温度下展现出明显变化的I-V曲线，在较高温度下呈现出较小的电阻，具有负温度系数的温度传感特性。
如图5所示，上述可穿戴式温度传感器具有较大的温度传感区间(-15℃～80℃)，通过测量该温度区间范围内的电阻阻值，拟合得到其在较低温度区间(-15℃～30℃)具有的温度系数为-5％℃-1，在较高温度区间(30℃～80℃)具有的温度系数为-1％℃-1，具有较为灵敏的温度传感特性。
上述可穿戴式温度传感器的工作过程是：将下层导热双面胶带一面与待测人体或物体表面贴合，待测物体表面温度通过下层导热双面胶带1传递给NiO/Ni异质结骨架2，导致NiO层6的电阻发生相应变化，通过金属电极3和导线4进行电流传递，从而获得实时的电阻数据。事先测量不同温度下传感器的电阻值，进行数据拟合，从而获得传感器电阻与温度的定量关系。根据测得的实时电阻数据和定量关系，可获得对应的物体表面的温度值。
上述可穿戴式温度传感器通过下层导热双面胶带1和上层导热双面胶带5具有对器件牢固封装、绝缘保护、隔绝空气、快速传热的功能，有助于温度传感器稳定工作、快速响应。同时，下层导热双面胶带1另一面可同待测人体或物体表面紧密贴合，具有优良的可穿戴特性。
上述可穿戴式温度传感器中，所述导热双面胶带1、5的材质为亚克力聚合物和有机硅胶的复合材料；所述金属电极为金属Ag或者其它低功函数金属。其中，导热双面胶带的厚度为0.15～0.5mm；NiO/Ni异质结骨架的厚度为0.2～1mm；NiO/Ni异质结骨架截面NiO层的厚度为2～4μm；所述金属电极的厚度为10～50μm。
实施例1：
第一步：将厚度为0.2mm的泡沫Ni骨架裁剪成面积为4×4mm2的片状，置于浓度为0.5M的HCl水溶液超声处理10min，随后将所述片状泡沫Ni骨架置于无水乙醇中超声处理10min，最后将所述片状泡沫Ni骨架置于去离子水中超声处理10min，并在60℃下烘干30min。
第二步：将上述片状泡沫Ni骨架在马弗炉中热处理，气氛为空气，热处理温度为700℃，热处理时间为4h，升温速率为5℃·min-1，降温速率为5℃·min-1。
第三步：将上述步骤二得到的NiO/Ni异质结骨架黏附于尺寸为8×8mm2的下层导热双面胶带中心。
第四步：将导电Ag胶刷涂在上述NiO/Ni异质结骨架上表面的两侧距离边缘2mm处，电极的厚度为50μm，并在60℃下烘干60min，制备金属电极。
第五步：使用尺寸为8×8mm2的上层导热双面胶带将两根导线与步骤四中所述两个金属电极固定，并与下层导热双面胶带紧密黏合，对器件进行封装。
实施例2：
第一步：将厚度为0.5mm的泡沫Ni骨架裁剪成面积为6×6mm2的片状，置于浓度为0.5M的HCl水溶液超声处理10min，随后将所述片状泡沫Ni骨架置于无水乙醇中超声处理10min，最后将所述片状泡沫Ni骨架置于去离子水中超声处理10min，并在60℃下烘干30min。
第二步：将上述片状泡沫Ni骨架在马弗炉中热处理，气氛为空气，热处理温度为800℃，热处理时间为2h，升温速率为5℃·min-1，降温速率为5℃·min-1。
第三步：将上述步骤二得到的NiO/Ni异质结骨架黏附于尺寸为10×10mm2的下层导热双面胶带中心。
第四步：将导电Ag胶刷涂在上述NiO/Ni异质结骨架上表面的两侧距离边缘2mm处，电极的厚度为50μm，并在60℃下烘干60min，制备金属电极。
第五步：使用尺寸为10×10mm2的上层导热双面胶带将两根导线与步骤四中所述两个金属电极固定，并与下层导热双面胶带紧密黏合，对器件进行封装。
实施例3：
第一步：将厚度为1mm的泡沫Ni骨架裁剪成面积为6×6mm2的片状，置于浓度为0.5M的HCl水溶液超声处理15min，随后将所述片状泡沫Ni骨架置于无水乙醇中超声处理15min，最后将所述片状泡沫Ni骨架置于去离子水中超声处理15min，并在60℃下烘干30min。
第二步：将上述片状泡沫Ni骨架在马弗炉中热处理，气氛为空气，热处理温度为900℃，热处理时间为1h，升温速率为5℃·min-1，降温速率为5℃·min-1。
第三步：将上述步骤二得到的NiO/Ni异质结骨架黏附于尺寸为10×10mm2的下层导热双面胶带中心。
第四步：将导电Ag胶刷涂在上述NiO/Ni异质结骨架上表面的两侧距离边缘2mm处，电极的厚度为50μm，并在60℃下烘干60min，制备金属电极。
第五步：使用尺寸为10×10mm2的上层导热双面胶带将两根导线与步骤四中所述两个金属电极固定，并与下层导热双面胶带紧密黏合，对器件进行封装。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种可穿戴式温度传感器的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：将厚度为0.2～1mm的商用泡沫Ni骨架裁剪成面积为(4～8)×(4～8)mm2的片状，置于浓度为0.2～0.5M的HCl水溶液超声处理5～15min，随后再将所述片状泡沫Ni骨架置于无水乙醇中超声处理5～15min，最后将所述片状泡沫Ni骨架置于去离子水中超声处理5～15min，并在50～60℃下烘干30～60min；
步骤二：将步骤一处理后的片状泡沫Ni骨架在马弗炉中热处理，气氛为空气，热处理温度为700～900℃，热处理时间为1～4h，升温速率为5～10℃·min-1，降温速率为5～10℃·min-1；将片状泡沫Ni骨架氧化为NiO/Ni异质结骨架；
步骤三：将步骤二得到的NiO/Ni异质结骨架黏附于下层导热双面胶带上；
步骤四：利用涂覆法，将导电银胶刷涂在所述NiO/Ni异质结骨架上表面，制备得到两个金属电极，两个金属电极位于NiO/Ni异质结骨架上表面的两侧，分别距离两侧边缘1～2mm处，金属电极的厚度为10～50μm；
步骤五：将上层导热双面胶带覆盖于步骤四中的两个金属电极、及与两个金属电极连接的两根导线上，将两根导线一端与两个金属电极固定，并与下层导热双面胶带黏合，对整体传感器进行封装；两根导线的另一端延伸于传感器外；
所述的可穿戴式温度传感器，包括下层导热双面胶带、NiO/Ni异质结骨架、金属电极、导线和上层导热双面胶带；所述NiO/Ni异质结骨架下表面黏结于下层导热双面胶带上；两个金属电极分别连接有导线，并固定于NiO/Ni异质结骨架上表面；所述上层导热双面胶带覆盖于NiO/Ni异质结骨架、金属电极和导线的上表面，其外缘与下层导热双面胶带黏合封装；所述NiO/Ni异质结骨架由泡沫Ni骨架一步法原位氧化得到；所述导热双面胶带的材质为亚克力聚合物和有机硅胶的复合材料；所述金属电极为金属Ag或者Au；所述金属电极的厚度为10～50μm；所述导热双面胶带的厚度为0.15～0.5mm；所述NiO/Ni异质结骨架的厚度为0.2～1mm；所述NiO/Ni异质结骨架中，NiO层的厚度为2～4μm。
2.根据权利要求1所述可穿戴式温度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤三、步骤五中，导热双面胶带的尺寸为(8～10)×(8～10)mm2，确保器件能完整封装。
3.根据权利要求1所述可穿戴式温度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，金属电极的制备方法为涂覆法、蒸镀法或磁控溅射法。
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