CN113074844B - 一种光降解后电极层可重复使用的柔性传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，包括可光降解的功能层、电极层和底封装层。该器件的功能层可以在365‑405nm的蓝光下光降解，而电极层和底封装层不受蓝光影响。对于功能损坏的传感器件，可以选择性的降解掉上层的功能层，而中下层的电极层和底封装层可以重复使用。通过材料选择和器件结构设计，实现了废弃传感器件的光降解和选择性回收利用，对于环境保护和能源节省具有重大的意义。

Description

一种光降解后电极层可重复使用的柔性传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种光降解后电极层可重复使用的柔性传感器。
背景技术
传感器技术早已应用于各种不同的环境中，而其中柔性电子技术的出现，柔性传感器有望在人体健康检测，人体行为技术预测以及各种需求传感器具备柔性的场合中发挥越来越重要的作用。
然而，随着传感器技术的不断发展，传感器的使用后处理则面临着巨大的问题，对于无法生物可兼容性处理的传感器将造成巨大的环境污染，能源浪费等。除此之外，如果柔性传感器某些功能组件可重复使用，而非直接一次性丢弃处理掉，换句话说，传感器的某些功能组件是可回收利用的，如此，对于一个完整的功能器件，只需要选择性的制备相应的器件组件，进而组成完备的器件。因此，可极大的降低生产能耗，从而产生巨大的经济效益。
另一方面，目前的柔性传感器的电极层是附着在功能层上，而与底封装层无物理联系，这就意味着，功能层的损坏必然使得电极层也一起无法使用，从而使得制备新器件时需要重复连接导电层，一方面，存在附着固定电极层困难的问题，另一方面，对于高精度传感器，要求电极层的导电性很好，多采用Au、Ag等贵金属，如果只是因为功能层的损坏也使得电极层无法重复使用，就会造成电极层材料的巨大浪费。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，使得功能层的损坏时，电极层也可以被再次使用。
技术方案：一种光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，从上到下依次包括功能层、电极层和底封装层，所述功能层是光可降解层。
进一步的，所述功能层在365～405nm的蓝光下可光降解，所述电极层和底封装层不受蓝光影响。
进一步的，所述功能层采用蓝光下可降解的水凝胶材料制备，所述水凝胶的制备过程包括如下步骤：
步骤1：将丙烯酰胺与交联剂2-硝基溴苄、引发剂过硫酸铵、加速剂四甲基乙二胺混合，制备成聚丙烯酰胺溶液，其中丙烯酰胺的浓度为1～4mol/L，过硫酸铵和四甲基乙二胺的浓度均为0.1～0.06mol/L，2-硝基溴苄与丙烯酰胺的摩尔比为0.1～3；
步骤2：将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸与交联剂2-硝基溴苄、引发剂过硫酸铵、加速剂四甲基乙二胺混合，其中2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的浓度为1～4mol/L，过硫酸铵和四甲基乙二胺的浓度均为0.1～0.06mol/L，2-硝基溴苄与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的摩尔比为0.1～3，混合后的溶液在加热条件下聚合形成聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸水凝胶；
步骤3：将所述聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸水凝胶浸入到所述聚丙烯酰胺溶液中，待两者充分交联形成光可降解的双网络层水凝胶。
进一步的，所述电极层采用叉指电极结构。
进一步的，所述底封装层采用聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯制备。
进一步的，所述电极层是采用磁控溅射、喷涂或真空沉积方法沉积在底封装层上制备得到。
进一步的，所述底封装层表面的高度成随机高斯分布。
进一步的，底封装层采用聚二甲基硅氧烷的制备过程包括如下步骤：
步骤1：聚二甲基硅氧烷包括预聚物A剂和交联剂B剂，将A剂和B剂按质量份数比10:1～2混合并搅拌均匀，然后超声振荡除去聚二甲基硅氧烷中的气泡；
步骤2：将裁成圆形的砂纸贴在圆形玻璃片上，所述砂纸为80目，将贴有砂纸的玻璃片放在旋涂仪的金属托上；
步骤3：抽真空后，将步骤1中制成的聚二甲基硅氧烷滴在砂纸上，使用旋涂仪进行旋涂，旋涂的速度是500～1000r/min，旋涂时长是1～2分钟；
步骤4：将旋涂后的砂纸放在真空干燥炉中干燥成膜，形成所述底封装层。
进一步的，所述柔性传感器为双电子层电容。
有益效果：本发明提供的一种光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，通过特定的材料选择和器件结构设计，可以实现废弃传感器件的光降解和选择性回收利用，对于环境保护和能源节省具有重大的意义，利于坚持绿色发展，可持续发展。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电极层示意图；
图3为本发明的底封装层表面结构示意图。
其中，1、功能层；2、电极层；3、底封装层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，从上到下依次包括功能层1、电极层2和底封装层3。功能层1是光可降解层，在365-405nm的蓝光下可光降解，而电极层2和底封装层3不受蓝光影响。对于功能损坏的传感器件，可以选择性的降解掉位于本发明柔性传感器件上层的功能层1，而位于本发明柔性传感器件中下层的电极层2和底封装层3可以再次使用。
其中，功能层1采用波长在365-405nm的蓝光下可降解的水凝胶材料制备，该水凝胶的制备过程包括如下步骤：
步骤1：将丙烯酰胺(AAM)与交联剂2-硝基溴苄oNB、引发剂过硫酸铵(APS)、加速剂四甲基乙二胺(TEMED)混合，制备成聚丙烯酰胺(PAAM)溶液，其中AAM的浓度为1～4mol/L，APS和TEMED的浓度均为0.1-0.06mol/L，oNB与AAM的摩尔比为0.1～3。
步骤2：将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)与交联剂oNB、引发剂过硫酸铵(APS)、加速剂四甲基乙二胺(TEMED)混合，其中AMPS的浓度为1～4mol/L，APS和TEMED的浓度均为0.1～0.06mol/L，oNB与AMPS的摩尔比为0.1～3，混合后的溶液在加热条件下聚合形成聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(PAMPS)水凝胶。
步骤3：将PAMPS水凝胶浸入到PAAM溶液中，放置1天的时间左右，让两者充分交联，形成光可降解的双网络层水凝胶。
如图2所示，电极层2包括叉指电极，通过调节叉指电极的叉指间距离d和叉指数量n改变传感器的传感性能。电极层2的叉指电极材料可采用Au、Ag、Cu或纳米导电材料，比如石墨烯、MXene和碳纳米管等。
底封装层3采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚酰亚胺聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等柔性高分子有机绝缘材料制成，起到电绝缘保护和作为电极层2载体的作用。为增加柔性传感器件的传感性能，如图3所示，底封装层3表面制备成高度成随机高斯分布的结构。
以底封装层3采用PDMS为例进行具体制备步骤的介绍，包括如下步骤：
步骤1：PDMS中包括A剂和B剂，将A剂和B剂按质量份数比10:1～2混合，搅拌均匀，之后超声振荡10min左右，除去试剂中的气泡。
步骤2：将裁成圆形的砂纸贴在圆形玻璃片上，砂纸为80目，将贴有砂纸的玻璃片放在旋涂仪的金属托上。
步骤3：抽真空后，将步骤1得到的PDMS试剂滴在砂纸上，使用旋涂仪进行旋涂，旋涂的速度是500-1000r/min，旋涂时长是1-2分钟，选择不同的旋涂速度和时间，可得到不同厚度的PDMS膜。
步骤4：将旋涂好试剂的砂纸放在真空干燥炉中干燥，试剂干燥成膜，将成膜的试剂从砂纸上剥下，从砂纸上剥下的成膜的试剂就是PDMS底封装层3。
PI或PET等柔性高分子有机绝缘材料也可采用上述旋涂的方法制备底封装层3。
制备好底封层后，采用磁控溅射、喷涂、真空沉积等纳米加工技术在底封装层3上沉积电极层2；再将功能层1涂布在电极层2之上，就形成了本发明的柔性传感器件。例如，采用Au作为叉指电极材料时，可通过真空沉积的方式沉积在底封装层3之上。
本发明的柔性传感器为双电子层电容，通过电容变化可实现压力、弯曲等功能检测；其具体的工作原理如下：
可降解水凝胶中的自由移动离子在加电压情况下与电极层之间形成的双电子网络，可理解为无数个微纳米级别的平行板电容器并联而成，即C＝∑Ci,
Figure BDA0003021123420000041
A为电容器的极板面积，d为距离，ε和k为常数，其中，d为微纳米级别。当器件受到压力或弯曲时，对于每一个Ci而言，d降低，A增大，从而导致Ci输出增大，同时，由于d的初始距离很小，d的降低可以极大的增加Ci的输出，故使用Cout＝ΔC/Cinit来表征压力或弯曲信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，其特征在于，从上到下依次包括功能层、电极层和底封装层，所述功能层是光可降解层；所述功能层在365～405nm的蓝光下可光降解，所述电极层和底封装层不受蓝光影响；所述功能层采用蓝光下可降解的水凝胶材料制备，所述水凝胶的制备过程包括如下步骤：
步骤1：将丙烯酰胺与交联剂2-硝基溴苄、引发剂过硫酸铵、加速剂四甲基乙二胺混合，制备成聚丙烯酰胺溶液，其中丙烯酰胺的浓度为1～4mol/L，过硫酸铵和四甲基乙二胺的浓度均为0.1～0.06mol/L，2-硝基溴苄与丙烯酰胺的摩尔比为0.1～3；
步骤2：将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸与交联剂2-硝基溴苄、引发剂过硫酸铵、加速剂四甲基乙二胺混合，其中2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的浓度为1～4mol/L，过硫酸铵和四甲基乙二胺的浓度均为0.1～0.06mol/L，2-硝基溴苄与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的摩尔比为0.1～3，混合后的溶液在加热条件下聚合形成聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸水凝胶；
步骤3：将所述聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸水凝胶浸入到所述聚丙烯酰胺溶液中，待两者充分交联形成光可降解的双网络层水凝胶。
2.根据权利要求1所述的光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，其特征在于，所述电极层采用叉指电极结构。
3.根据权利要求1所述的光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，其特征在于，所述底封装层采用聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯制备。
4.根据权利要求2所述的光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，其特征在于，所述电极层是采用磁控溅射、喷涂或真空沉积方法沉积在底封装层上制备得到。
5.根据权利要求3所述的光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，其特征在于，所述底封装层表面的高度成随机高斯分布。
6.根据权利要求3所述的光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，其特征在于，底封装层采用聚二甲基硅氧烷的制备过程包括如下步骤：
步骤1：聚二甲基硅氧烷包括预聚物A剂和交联剂B剂，将A剂和B剂按质量份数比10:1～2混合并搅拌均匀，然后超声振荡除去聚二甲基硅氧烷中的气泡；
步骤2：将裁成圆形的砂纸贴在圆形玻璃片上，所述砂纸为80目，将贴有砂纸的玻璃片放在旋涂仪的金属托上；
步骤3：抽真空后，将步骤1中制成的聚二甲基硅氧烷滴在砂纸上，使用旋涂仪进行旋涂，旋涂的速度是500～1000r/min，旋涂时长是1～2分钟；
步骤4：将旋涂后的砂纸放在真空干燥炉中干燥成膜，形成所述底封装层。
7.根据权利要求1所述的光降解后电极层可重复使用的柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器为双电子层电容。
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