CN113924630A - 电子功能部件和应变传感器 - Google Patents

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CN113924630A CN202080026578.8A CN202080026578A CN113924630A CN 113924630 A CN113924630 A CN 113924630A CN 202080026578 A CN202080026578 A CN 202080026578A CN 113924630 A CN113924630 A CN 113924630A
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染谷隆夫
宫本明人
王燕
松叶赖重
川岛伊久卫
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Abstract

本发明提供一种耐伸缩性优异的电子功能部件。所述电子功能部件包括：纤维，形成为网状，用于构成纤维网；包覆膜，杨氏模量低于纤维，用于包覆纤维；以及导电膜，形成在包覆膜的表面。

Description

电子功能部件和应变传感器
技术领域
本发明涉及电子功能部件和使用电子功能部件构成的应变传感器。
背景技术
近年来，柔性电子产品由于材料的柔性而具有各种应用用途并且备受关注。其中，伴随全球社会的老龄化，对医疗保健领域的关注正在提高。例如，作为一种通过安装到人体表面或体内而从细胞或组织直接获得生物体信息的手段而受到关注。
通常，柔性电子产品是通过在柔性基材上形成电子器件来制造的，但不能说其柔性足够。因此，不能说表面跟随性足够，并且不能获得高精度的信息并且不能充分减少安装时的不适感。
为了解决这一问题，提出了这样的电子功能部件，其采用静电纺丝法，形成由水溶性的聚乙烯醇(PVA)制成的纳米纤维的纤维网，在其上蒸镀金而形成电极层，从而表面跟随性、朝横方向的伸展性、气体和水分的透过性、透明性足够高(例如，非专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
非专利文献1：Akihito Miyamoto et.al.,Nature Nanotechnology 12,907(2017)
发明内容
发明要解决的问题
然而，在将上述的现有技术的电子功能部件直接贴附于皮肤来使用的情况下，耐伸缩性有改善的余地。
因此，本申请的发明人在进行了努力探究之后发现，通过采用将由一种树脂制成的纤维网用另一种树脂包覆的结构，改善了耐伸缩性。
本发明是鉴于上述问题而完成的，本发明的目的在于提供一种耐伸缩性得到改善的电子功能部件和应变传感器。
用于解决问题的手段
为了实现上述的目的，本发明的电子功能部件构成为包括：纤维，形成为网状，用于构成纤维网；包覆膜，杨氏模量低于纤维，用于包覆纤维；以及导电膜，形成在包覆膜的表面。
此外，本发明的应变传感器包括检测部、测量部以及输出部，检测部是安装在测量对象物上并且电阻值根据测量对象物的形状或其变化而变化的部分；测量部测量检测部的电阻值并将该电阻值发送到输出部；输出部基于从测量部接收的电阻值输出预定信号。
发明的效果
根据本发明的电子功能部件和应变传感器，通过采用将由一种树脂构成的纤维网用另一种树脂包覆的结构，改善了耐伸缩性。
附图说明
图1是用于说明纳米网电极的示意图。
图2是示出耐伸缩性的评价结果的图(1)。
图3是示出耐伸缩性的评价结果的图(2)。
图4是应变传感器的示意性结构图。
图5是通过SPM获得的纳米网电极的图像。
图6是用于对纳米网电极的电阻值变化的测量进行说明的图。
图7是用于说明电阻值的测量方法的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明，但是关于各构成要素的形状、大小和配置关系，只不过在可以理解本发明的范围内示意性示出。此外，以下对本发明的优选结构例进行说明，但是各构成要素的材料和数值的条件等只不过是优选例。因此，本发明不限于以下的实施方式，在不脱离本发明的结构的范围的情况下，可以进行许多可以实现本发明的效果的修改或变型。
(纳米网电极)
参照图1，对作为根据本发明的电子功能部件的纳米网电极进行说明。图1是用于说明纳米网电极的示意图。图1中的(A)至图1中的(C)是纳米网电极的示意性结构图，图1中的(D)至图1中的(F)是纳米网电极的纤维的示意性截面图。
电子功能部件构成为包括：纤维20，设置为网状，用于构成片状的纤维网10；包覆膜30，用于包覆纤维20；以及导电膜40，形成在包覆膜30的表面。
作为构成纤维20的芯材料，使用聚氨酯。在该情况下，纤维网10通过使用13重量％的聚氨酯溶液的静电纺丝法形成。作为该聚氨酯溶液的溶剂，例如使用N,N-二甲基甲酰胺和甲基醚酮的7∶3混合溶液。此外，在形成纤维网10时，静电纺丝法的条件可以是30分钟的纺丝时间、25kV的施加电压、1毫升/小时的喷出速率。在实施了静电纺丝法之后，进行1分钟的紫外线(UV)臭氧处理，获得纤维网10(参照图1中的(A)和图1中的(D))。
另外，纤维20在本例中，其聚氨酯纤维的直径优选在100nm至1μm的范围内，更优选在200nm至700nm的范围内。在该情况下，聚氨酯纤维是所谓的纳米纤维。此外，聚氨酯的杨氏模量是100MPa至700MPa，杨氏模量比较高。
这里，已经说明了使用聚氨酯作为芯材料的示例，但是不限于此。作为芯材料，只要可以使用静电纺丝方法形成纳米纤维的纤维网的材料即可。这是因为难以用杨氏模量非常低的材料形成纳米纤维的纤维网。作为芯材料，除了聚氨酯以外，还可以使用例如聚乙烯醇(PVA)衍生物、聚偏二氟乙烯(PVDF)等。
作为构成包覆膜30的包覆材料，使用硅树脂，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在该情况下，包覆膜30是通过对纤维施加使用了PDMS溶液的浸涂来形成的。该PDMS溶液是通过将PDMS前体(precursor)溶解在己烷(hexane)中而获得的。PDMS前体与己烷的重量比为例如1:100。
包覆膜30的膜厚优选在30nm至300nm的范围内，更优选在70nm至150nm的范围内。此外，PDMS的杨氏模量一般为4MPa至40MPa，杨氏模量比较低(参照图1中的(B)和图1中的(E))。
这里，已经说明了使用PDMS作为包覆材料的示例，但是不限于此。作为包覆材料，杨氏模量低的材料是优选的。作为包覆材料，除了PDMS之外，还可以使用例如乙烯醋酸乙烯酯(EVA)树脂等。
作为构成导电膜40的导电部件，使用金(Au)。在该情况下，通过对在纤维20上形成包覆膜30而得到的已包覆纤维网11真空蒸镀Au来形成导电膜40。这里，当从片状的已包覆纤维网11的两表面侧形成导电膜40时，在用包覆膜30包覆的纤维20的整个表面形成导电膜40。结果，获得纳米网电极12。
这里，在图1中的(C)中，在纳米网电极12的两表面设置有导电膜40，但这是为了示出形成有导电膜40的表面而方便记载的。此外，在其他图中，有时也为了示出形成有导电膜40的表面而方便记载。另外，也可以仅从片状的已包覆纤维网11的一表面侧形成导电膜40。
导电膜40的膜厚优选在30nm至300nm的范围内，更优选在70nm至150nm的范围内。
这里，已经说明使用Au作为导电部件的示例，但不限于此。作为导电部件，除了Au之外，还可以使用银(Ag)、钛(Ti)、铂(Pt)等。此外，导电膜的形成方法不限于真空蒸镀。作为导电膜的形成方法，可以使用溅射法、利用了上述导电部件的分散液的旋涂法、狭缝涂布法或丝网印刷法。
(耐伸缩性的评价)
参照图2和图3说明纳米网电极的耐伸缩性的评价。图2和图3是示出耐伸缩性的评价结果的图。
耐伸缩性的评价按以下进行。首先，在玻璃基板上以200μm的厚度形成PDMS层。接下来，在PDMS层上形成粘接层。粘接层是通过将液体状的PDMS以100nm的厚度实施旋涂法来形成的。接下来，在粘接层上贴附评价对象的纳米网电极。在液体状的PDMS干燥之后，将玻璃基板剥离。评价这样获得的贴附在200μm厚度的PDMS层上的纳米网电极的耐伸缩性。
在图2中的(A)中，横轴表示纳米网电极的伸长率(％)，纵轴表示电阻的变化率ΔR/R(％)。这里，伸长率为60％是指拉伸前的初始状态的纳米网电极的拉伸方向的长度增加60％，即为1.6倍。
图2中的(A)表示了纤维网的结构差异。在图2中的(A)中，曲线I表示纤维由PVA衍生物构成且未设置包覆膜的情况，曲线II表示芯材料为聚氨酯(PU)且包覆材料为PDMS的情况，曲线III表示芯材料为聚氨酯且包覆材料为聚对二甲苯(parylene)的情况，曲线IV表示纤维由聚氨酯构成且未设置包覆膜的情况。
这里，聚对二甲苯的杨氏模量是2GPa至3GPa，杨氏模量高于聚氨酯。
在曲线I至IV中的任一条的情况下，电阻值随着伸长率的增大而逐渐增加。在纤维由PVA衍生物构成的情况下(曲线I)，在伸长率为50％附近电阻值急剧增加，即断丝。另一方面，在纤维由聚氨酯构成的情况下(曲线II至曲线IV)，当伸长率为150％附近或其以上时，电阻值急剧增加。这样，当纤维由聚氨酯构成时，与纤维由PVA衍生物构成的情况相比，耐伸缩性提高。
图2中的(B)至图2中的(E)分别示出了在与图2中的(A)的曲线I至曲线IV的纳米网电极中进行了伸缩循环试验的结果。在图2中的(B)至图2中的(E)中，横轴表示以100个循环(100cycles)为单位的重复周期，纵轴表示电阻变化率ΔR/R(％)。这里，重复拉伸(30％)和打开(0％)。
在图2中的(B)的纤维由PVA衍生物构成的情况下，以及在图2中的(D)的芯材料为聚氨酯且包覆材料为聚对二甲苯(parylene)的情况下，电阻变化率ΔR/R(％)随每个重复周期而变动。此外，在图2中的(E)的纤维由聚氨酯构成且未设置包覆膜的情况下，每个重复周期的电阻变化率ΔR/R(％)的变动小，但随着次数增加，电阻变化率ΔR/R(％)的值变大。
与此相对，在图2中的(C)的芯材料为聚氨酯(PU)且包覆材料为PDMS的情况下，每个重复周期的电阻变化率ΔR/R(％)的变动小，而且，即使次数增加，电阻变化率ΔR/R(％)也几乎是恒定的。
这样，通过使芯材料为聚氨酯(PU)并使包覆材料为PDMS，显示出优异的耐伸缩性。
在图3中，在芯材料为聚氨酯(PU)且包覆材料为PDMS的纳米网电极中，示出了在片状的已包覆纤维网的两表面设置了导电膜的情况(I)和仅在片状的已包覆纤维网的一表面设置了导电膜的情况(II)。
在两表面设置了导电膜的情况(I)和仅一表面设置了导电膜的情况(II)中的任一个情况中，电阻值随着伸长率的变大而逐渐增加。在仅一表面设置有导电膜的情况下(II)，在伸长率为60％附近，电阻值急剧增加，即断丝。另一方面，在两表面设置了导电膜的情况下(II)，在伸长率为150％附近之前，电阻值逐渐增加，在伸长率超过150％时，电阻值急剧增加。这样，当在两表面设置导电膜时，与仅在一表面设置导电膜的情况相比，可以获得优异的耐伸缩性。
(纳米网电极的贴附方法)
作为根据本发明的电子功能部件的纳米网电极不使用水溶性材料形成纤维。因此，仅是将纳米网电极放置在测量对象物的皮肤等表面之后进行水蒸气暴露，则不能贴附。
作为将纳米网电极贴附到皮肤上的方法的示例，说明三种方法。
在第一种方法中，将10重量％的PVA水溶液涂在皮肤上，并在PVA干燥之前，在PVA上贴附纳米网电极。在第二种方法中，将以PVA为树脂材料的纤维网通过静电纺丝法形成之后，层压纳米网电极。之后，将PVA的纤维网设置成与皮肤接触，并进行水蒸气暴露。在该方法中，利用以PVA为树脂材料的纤维网的一部分或全部进行水溶这一点，贴附在皮肤上。在第三种方法中，通过使用了10重量％的PVA水溶液的500rpm的旋涂法制作PVA膜，并将该PVA膜贴附在皮肤上。在PVA膜上放置纳米网电极，并与第二种方法一样进行水蒸气暴露。通过该第一种至第三种方法，可以将纳米网电极贴附在皮肤上。
(应变传感器)
参照图4，对使用了该纳米网电极的应变传感器进行说明。图4是应变传感器的示意性结构图。
应变传感器构成为包括例如检测部110、测量部120以及输出部130。检测部110是安装在测量对象物200上并且电阻值根据测量对象物200的形状或其变化而变化的部分。测量部120测量检测部110的电阻值并将该电阻值发送到输出部130。输出部130基于从测量部120接收的电阻值输出预定信号。关于测量部120和输出部130，由于本领域技术人员可以任意优选构成，因而这里省略详细说明。
检测部110由纳米网电极构成。在以下说明中，有时将检测部和纳米网电极附上相同的附图标记110。
在纳米网电极110中，在非导电性的纤维的表面形成有导电膜40。此外，纤维构成网状的纤维网。在该情况下，当纳米网电极110被拉伸时，每单位面积的纤维所占的面积(以下称为纤维密度)减少，因而导电膜的接触点的数量减少。随着导电膜的接触点的数量减少，电阻变大。另一方面，当纳米网电极110被压缩时，纤维密度增加，因而导电膜的接触点的数量增加。随着导电膜的接触点的数量增加，电阻变小。
这样，电阻因纳米网电极110的伸缩而变化。因此，通过将纳米网电极110贴附到测量对象物200上并测量电阻，可以测量对象物的形状及其变化。
使用常规的应变传感器，无法测量柔软物体或曲面等非平面的形状或其变化。因此，难以跟踪肌肉等生物体的运动，也难以测量。
与此相对，根据本实施方式的应变传感器，由于安装在测量对象物200上的检测部110由纤维网构成，因而对于生物体的表面等柔软的、非平面的测量对象物，也可以测量其形状和其变化。
对用作应变传感器的检测部110的纳米网电极的厚度依赖性进行说明。这里，为了评价厚度依赖性，使用以PVA衍生物为材料的纳米网电极。
制备了厚度7μm的纳米网电极和厚度10μm的纳米网电极这两种。由于构成纳米网电极的纤维(纳米纤维)的直径约为500nm，因而厚度7μm的纳米网电极为约14层的层结构，并且厚度为10μm的纳米网电极为约20层的层结构。
此外，对于厚度7μm和厚度10μm的纳米网电极中的每一个，制备了厚度50nm的导电膜和厚度75μm的导电膜这两种。
对于所制备的纳米网电极，使用扫描型探针显微镜(SPM：Scanning ProbeMicroscope)观察了微观的导电状态。
图5是通过SPM获得的纳米网电极的图像。图5中的(A)是通常的测量模式的图像，图5中的(B)是示出了成为电阻的测量参照的参照区域的导电膜和成为被测量对象的纳米网电极的导电膜导通的区域的图像。
比较图5中的(A)和图5中的(B)可以看出，存在与参照区域导通的导电膜和不与参照区域导通的导电膜。不导通的导电膜被认为是因为，一根纤维在存在于表面侧的另一根纤维的背后，导电膜未被蒸镀，上限的纤维的导电膜不导通。
参照图6，对在将应力施加到纳米网电极的情况下的电阻值变化进行说明。图6是用于对纳米网电极的电阻值变化的测量进行说明的图。图6中的(A)是测量系统的示意图，图6中的(B)和图6中的(C)示出了显示电阻值变化的示波器的画面。
这里，将100Ω的固定电阻140串联连接到纳米网电极110，将电压施加到固定电阻的未与纳米网电极110连接的一端，将纳米网电极110的未与固定电阻140连接的一端接地，将固定电阻140的另一端和纳米网电极110的另一端连接，测量了该固定电阻140和纳米网电极110的连接部位的电压。
图6中的(B)示出了在将压缩应力和拉伸应力重复施加到纳米网电极的情况下的电压变化，图6中的(C)示出了在重复扭曲了纳米网电极的情况下的电压变化。
如图6中的(B)和图6中的(C)所示，可以看出，通过将各种应力施加到纳米网电极，所测量的电压发生变化，即纳米网电极的电阻发生变化。
参照图7和表1，对当分别施加了拉伸应力和压缩应力时的电阻值进行说明。图7是用于说明电阻值的测量方法的示意图。
[表1]
Figure BDA0003288422520000081
表1示出了针对厚度7μm和厚度10μm的纳米网电极的各方制备了厚度50nm的导电膜和厚度75μm的导电膜这两种而得到的纳米网电极的压缩应力和拉伸应力的施加时的电阻值。
这里，仅在纤维网的一个主表面侧设置了导电膜。将纳米网电极切割成宽度5mm、长度30mm的长方形状，并与半径20mm的圆柱210密接。通过使设置有导电膜40的表面与圆柱210密接，将压缩应力施加到形成有导电膜40的一侧的纤维网12(参照图7中的(A))。此外，通过使设置有导电膜40的表面的相反侧的表面与圆柱210密接，将拉伸应力施加到形成有导电膜40的一侧的纤维网12(参照图7中的(B))。
在任一纳米网电极中，与施加了压缩应力的情况相比，在施加了拉伸应力的情况下，电阻值上升了约35％至40％。因此，可以看出，该纳米网电极作为应变传感器的检测部是有用的。
作为应变传感器的检测部，可以使用上述的耐伸缩性优异的纳米网电极，但不限于此。也可以将任意优选的常规公知的纳米网电极用于检测部。
附图标记说明
10 纤维网
11 已包覆纤维网
12 纳米网电极
20 纤维
30 包覆膜
40 导电膜
110 检测部(纳米网电极)
120 测量部
130 输出部
140 固定电阻
200 测量对象物
210 圆柱

Claims (6)

1.一种电子功能部件，其特征在于，包括：
纤维，形成为网状，用于构成纤维网；
包覆膜，杨氏模量低于所述纤维，用于包覆所述纤维；以及
导电膜，形成在所述包覆膜的表面。
2.根据权利要求1所述的电子功能部件，其特征在于，所述纤维通过静电纺丝法形成。
3.一种电子功能部件，其特征在于，包括：
纤维，以聚氨酯、聚乙烯醇(PVA)衍生物和聚偏二氟乙烯(PVDF)中的任一种为材料，形成为网状，用于构成纤维网；
包覆膜，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)或乙烯醋酸乙烯酯(EVA)树脂为材料形成，用于包覆所述纤维；以及
导电膜，形成在所述包覆膜的表面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电子功能部件，其特征在于，所述纤维网形成为片状，所述导电膜形成在所述纤维网的一个主表面侧。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电子功能部件，其特征在于，所述导电膜形成在所述纤维网的两个主表面侧。
6.一种应变传感器，其特征在于，包括检测部、测量部以及输出部，
所述检测部是安装在测量对象物上并且电阻值根据测量对象物的形状或其变化而变化的部分；
所述测量部测量所述检测部的电阻值并将该电阻值发送到所述输出部；
所述输出部基于从所述测量部接收的电阻值输出预定信号；
所述检测部构成为具备权利要求1至5中任一项所述的电子功能部件。
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