CN113029399A - 一种基于导电高分子褶皱涂层的压力传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导电高分子褶皱涂层的压力传感器，所述压力传感器包括电极，所述电极由表面覆有导电聚合物涂层的基底构成；所述导电聚合物涂层由导电聚合物制成，所述导电聚合物为自身具有共辄π键的结构型导电高分子材料；所述基底为聚苯乙烯片材。所述电极通过在基底上以原位自沉积法制备导电聚合物膜制得。通过对两个电极进行组装，将导电聚合物涂层面对面放置，组成压力传感器。导电聚合物涂层之间设有导线，电极通过聚酰亚胺胶带进行固定封装。本发明在导电材料上引入表面皱纹结构，进行压力传感器的构筑，进而改善压力传感器的性能；实现压力传感器的制备和可逆调控。

Description

一种基于导电高分子褶皱涂层的压力传感器及其应用

技术领域

本发明涉及柔性压力传感器技术领域，特别是涉及一种基于导电高分子褶皱涂层的压力传感器及其应用。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，特别是人工智能技术，人工智能产品的快速发展，比如机械手、运动手环等几乎充满了人们的生活。其中，传感器是是一种能够检测外部刺激信号，然后转换成电信号或者其他可识别信号的器件。在各种类型的传感器中，压力传感器因其体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、集中容易而受到了广泛关注。压力传感器可以检测到微小的外部压力变化，使得它不仅在人工智能领域，而且在人体健康检测、医疗诊断、机器人皮肤等领域都有潜在的应用前景。

近年来，已经研究了基于纳米结构材料的压力传感器。这些纳米结构材料主要包括金属纳米线、ZnO纳米线阵列、碳纳米管和导电聚合物材料等。在这些材料中，导电聚合物由于它们的高电导率和很好的生物相容性等优点，显示出其巨大的应用前景。

近来，人们发现利用具有皱纹、圆柱或者半球结构的导电聚合物薄膜组装成压力传感器，灵敏度和响应速度都可以得到进一步的提高。与没有表面图案结构的导电膜相比，一个相对较小的压力可以增加导电膜表面微结构之间的接触面积，从而增加导电通路，引起相应的电信号显著变化。所以需要一种以聚合物为基底，表面覆有导电聚合物涂层的压力传感器，利用表面褶皱形貌和表面材料的导电性，实现压力传感器的制备和可逆调控。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于导电高分子褶皱涂层的压力传感器及其制备和应用。本发明以热收缩聚苯乙烯材料为基底，以导电聚合物为表面涂层，化学氧化法构筑膜/基体系，并利用加热形成表面微纳米结构，利用表面褶皱形貌和表面材料的导电性，实现压力传感器的制备和可逆调控。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明的第一方面，提供一种基于导电高分子褶皱涂层的电极，所述电极包括基底，所述基底的表面覆有导电聚合物涂层；所述基底和导电聚合物涂层均为褶皱形貌，基底褶皱的形状和导电聚合物涂层褶皱的形状均相同；所述导电聚合物涂层由导电聚合物制成，所述导电聚合物为自身具有共辄π键的结构型导电高分子材料；所述基底为聚苯乙烯片材。

优选的，所述导电聚合物涂为聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚乙撑二氧噻吩或聚对苯撑乙烯。

本发明的第二方面，提供上述电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备基底：将聚苯乙烯片材用甲醇和水进行清洗，再用氧等离子体处理，得到基底；

(2)在步骤(1)得到的基底上以原位自沉积法制备导电聚合物膜：将导电聚合物溶解在盐酸溶液中，超声混合均匀后记为溶液A；将氧化剂溶解在溶剂中，超声混合均匀后记为溶液B；将溶液A倒入基底上，使溶液A完全浸泡基底，然后和溶液B分别冷却处理；冷却结束后，将溶液B倒入浸泡基底的溶液A中，充分混合均匀进行聚合反应；聚合反应完成后，用蒸馏水冲然后用洗耳球吹干，再经烘箱热收缩表面产生褶皱形貌，得到基于导电高分子褶皱涂层的电极。

优选的，步骤(1)中，氧等离子体处理的时间为45s。

优选的，步骤(2)中，所述导电聚合物与盐酸溶液的摩尔比为0.1:1。

优选的，步骤(2)中，所述氧化剂为氯化铁或过硫酸铵，所述溶剂选自水、乙腈、乙醚或盐酸；所述氧化剂与溶剂的摩尔比为(0.1～0.2)：1。

优选的，步骤(2)中，所述冷处理的温度为2℃～5℃，时间为10min；所述聚合反应的温度为2℃～5℃，时间为5h。

优选的，所述烘箱的温度为110-130℃。

本发明的第三方面，提供一种基于导电高分子褶皱涂层的压力传感器，所述压力传感器包括上述电极。

优选的，所述压力传感器由以下方法制备：

将两个上述的电极组合在一起，电极具有导电聚合物涂层的一面面对面放置，导电聚合物涂层之间设有导线，导线与导电聚合物涂层通过导电银胶连接固定，两个电极通过聚酰亚胺胶带进行固定封装，得到基于导电高分子褶皱涂层的压力传感器。

本发明的第四方面，提供上述的压力传感器在如下1)～3)至少一项中的应用：

1)测定人体脉搏信号；

2)测定喉结发声时的振动信号；

3)测定控制微电路的信号。

本发明的有益效果为：

本发明基于在导电材料上引入表面皱纹结构，进行压力传感器的构筑，进而改善压力传感器的性能，可用于测定人体脉搏信号、喉结发声时的振动信号、控制微电路的信号。本发明的制备方法简单、快捷，在材料表面图案的构筑等领域有潜在的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备的压力传感器在热收缩后得到的褶皱图案的光学图像；

图2为实施例2制备的压力传感器在垂直压力下的重复性实时响应。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所述，目前构筑压力传感器的纳米结构材料主要包括金属纳米线、ZnO纳米线阵列、碳纳米管和导电聚合物材料等。通过研究发现利用具有皱纹、圆柱或者半球结构的导电聚合物薄膜组装成压力传感器，灵敏度和响应速度都可以得到进一步的提高。与没有表面图案结构的导电膜相比，一个相对较小的压力可以增加导电膜表面微结构之间的接触面积，从而增加导电通路，引起相应的电信号显著变化。

基于此，本发明提供一种基于导电高分子褶皱涂层的压力传感器，通过在聚苯乙烯片材上原位沉积聚吡咯等导电聚合物，构筑膜/基体系，因表面膜与基底之间存在物性差异，当受到外界刺激时，材料界面处会产生压缩应力，当压缩应力积累超过一定的临界值时，为了获得体系能量最低，部分压缩应力会通过材料表面起皱的方式进行释放。膜/基体系都有褶皱，单纯的膜/基无法起皱。在受到外界刺激后，膜/基体系由于存在热膨胀系数等物性差异，在界面处会产生一定的压缩应力，当压缩应力堆积超过临界值，为了获得体系能量最低，部分压缩应力会通过褶皱的形式进行释放，上下两层的褶皱的形状是一致的。因此经加热后聚苯乙烯收缩，在体系表面产生褶皱形貌。

将两个相同的膜/基体系面对面放置，组装成压力传感器，当施加垂直力时，非平面的微结构能够对外界相同的压力产生更多的接触面积和导电通路变化，最后电阻改变。当对其施加外界电压信号时，压力传感器会对外界的压力信号做出响应，表现出电流信号变化，这可以大幅度改善压力传感器的灵敏度。本发明的压力传感器在受到外界施加压力时，压力通过基底传导给导电材料，导电材料的接触面积发生变化，进而使得整个导电材料的电阻发生变化，产生相应的电流信号变化。而在解除外界压力后，电流信号又会回复为原有的状态。以此实现压力传感器的可逆调控。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或者按照试剂公司所推荐的条件；下述实施例中所用的试剂、耗材等，如无特殊说明，均可通过商业途径获得。

实施例1

(1)将聚苯乙烯片材分割成4*4cm均等的方形形状，用甲醇和水进行清洗。表面清理后的聚苯乙烯片材进行氧等离子体处理45s，使PS表面亲水性改善。

(2)在PS片材上以原位自沉积法制备导电聚合物膜：将0.1M的吡咯单体溶解在1M的盐酸溶液中，超声混合均匀后记为溶液A；将0.2M氯化铁溶解在1M的盐酸溶液中，超声混合均匀后记为溶液B；将基底转移至圆形塑料培养皿中，然后将A倒入其中，使A液完全浸泡基底，然后和B液一起在2℃的条件下冷却10min；冷却结束后，将B液一次性倒入A液中，充分混合均匀，然后在2℃的条件下开始反应，聚合5h；聚合反应完成后，用蒸馏水冲洗样品表面，用洗耳球吹干样品表面，进行后续处理。130℃烘箱中加热30min，得到收缩后表面带有褶皱形貌的膜/基体系，如图1所示。

(3)将膜/基体系面对面放置，组成压力传感器。将制备的压力传感器用聚酰亚胺胶带进行固定封装。将压力传感器的两个端口与数字源表的接口连接起来；然后，依次施加不同的砝码压力，通过电脑软件记录下相应的电流数据。

实施例2

(1)将聚苯乙烯片材分割成4*4cm均等的方形形状，用甲醇和水进行清洗。表面清理后的聚苯乙烯片材进行氧等离子体处理45s，使PS表面亲水性改善。

(2)在PS片材上以原位自沉积法制备导电聚合物膜：将0.1M的苯胺单体溶解在1M的盐酸溶液中，超声混合均匀后记为溶液A；将0.1M过硫酸铵溶解在1M的盐酸溶液中，超声混合均匀后记为溶液B；将基底转移至圆形塑料培养皿中，然后将A倒入其中，使A液完全浸泡基底，然后和B液一起在5℃的条件下冷却10min；冷却结束后，将B液一次性倒入A液中，充分混合均匀，然后在5℃的条件下开始反应，聚合5h；聚合反应完成后，用蒸馏水冲洗样品表面，用洗耳球吹干样品表面，进行后续处理。130℃烘箱中加热30min，得到收缩后表面带有褶皱形貌的膜/基体系。

(3)将膜/基体系面对面放置，组成压力传感器。将制备的压力传感器用聚酰亚胺胶带进行固定封装。将压力传感器的两个端口与数字源表的接口连接起来；然后，依次施加不同的砝码压力，通过电脑软件记录下相应的电流数据，如图2所示。

除了上述应用也可将本发明的压力传感器连接到结有小灯泡的电路中，并将其与体育设施相连接，正常情况下微电路中的电流比较小，小灯泡亮度较小，在进行体育活动时，由于压力传感器上检测到压力的变化，接触面积增大，导致电阻变小，微电路中的电流变大，导致小灯泡的亮度变大。该压力传感器在微电路控制领域也具有非常潜在的应用前景。

还可以将本发明压力传感器连接到自行车速度表盘上，在骑自行车时，由于压力传感器检测到压力的变化，接触面积增大，导致电阻变小，电流也产生变化，进而可以显示为速度的变化。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于导电高分子褶皱涂层的电极，其特征在于，所述电极包括基底，所述基底的表面覆有导电聚合物涂层；所述基底和导电聚合物涂层均为褶皱形貌，基底褶皱的形状和导电聚合物涂层褶皱的形状均相同；所述导电聚合物涂层由导电聚合物制成，所述导电聚合物为自身具有共辄π键的结构型导电高分子材料；所述基底为聚苯乙烯片材。

2.根据权利要求1所述的电极特征在于，所述导电聚合物涂为聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚乙撑二氧噻吩或聚对苯撑乙烯。

3.权利要求1或2所述的电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备基底：将聚苯乙烯片材用甲醇和水进行清洗，再用氧等离子体处理，得到基底；

(2)在步骤(1)得到的基底上以原位自沉积法制备导电聚合物膜：将权利要求1或2所述的导电聚合物溶解在盐酸溶液中，超声混合均匀后记为溶液A；将氧化剂溶解在溶剂中，超声混合均匀后记为溶液B；将溶液A倒入基底上，使溶液A完全浸泡基底，然后和溶液B分别冷却处理；冷却结束后，将溶液B倒入浸泡基底的溶液A中，充分混合均匀进行聚合反应；聚合反应完成后，用蒸馏水冲然后用洗耳球吹干，再经烘箱热收缩产生褶皱形貌，得到基于导电高分子褶皱涂层的电极。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，氧等离子体处理的时间为45s。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述导电聚合物与盐酸溶液的摩尔比为0.1：1。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氧化剂为氯化铁或过硫酸铵，所述溶剂选自水、乙腈、乙醚或盐酸；所述氧化剂与溶剂的摩尔比为(0.1～0.2)：1。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述冷处理的温度为2℃～5℃，时间为10min；所述聚合反应的温度为2℃～5℃，时间为5h。

8.一种基于导电高分子褶皱涂层的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括权利要求1或2所述的电极。

9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器由以下方法制备：

将两个权利要求1或2所述的电极组合在一起，电极具有导电聚合物涂层的一面面对面放置，导电聚合物涂层之间设有导线，导线与导电聚合物涂层通过导电银胶连接固定，两个电极通过聚酰亚胺胶带进行固定封装，得到基于导电高分子褶皱涂层的压力传感器。

10.权利要求8或9所述的压力传感器在如下1)～3)至少一项中的应用：

1)测定人体脉搏信号；

2)测定喉结发声时的振动信号；

3)测定控制微电路的信号。

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