CN114018446A - 可部分降解的自供电压力传感器、制备方法及其测试电路 - Google Patents

可部分降解的自供电压力传感器、制备方法及其测试电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可部分降解的自供电压力传感器、制备方法及其测试电路，包括第一夹具、第一电极活性层、弹性多孔水凝胶隔膜、第二电极活性层和第二夹具；第一夹具与第一电极活性层贴合形成第一电极，第二夹具与第二电极活性层贴合形成第二电极，弹性多孔水凝胶隔膜位于第一电极、第二电极之间，第一电极活性层与第二电极活性层间浸润有电解质；自供电压力传感器的检测范围为0～2N，测试精度达到0.1N。本发明的食材来源广泛，不仅有利于降低成本，而且制备的压力传感器具有灵敏度高、人体危害小、可快速降解、安全无污染等许多优良特性，在高科技医疗、人体健康等领域具有广阔的发展前景。

Description

可部分降解的自供电压力传感器、制备方法及其测试电路
技术领域
本发明涉及一种可部分降解的自供电压力传感器、制备方法及其测试电路，属于检测装置领域。
背景技术
随着科技发展，人们对健康与环保的要求也逐渐提高。传统的压力传感器以无机材料为主，通过弹性元件的形变指示压力，缺点为尺寸较大、需要额外电源，且报废后不能有效分解导致环境破坏。随着有机压电材料的发展，自供电压力传感器应运而生，因其无需外部电源，故相较传统压力传感器具有极大优势，但制备可部分降解的自供电压力传感器仍具有挑战性。
现有文献中，Wang Xu等人[Advanced Materials Technologies，2016，1，3]报道了一种可部分降解且可食用的超级电容器。其以活性炭作为活性材料、奶酪为隔离层、海藻为隔膜，电解液是功能饮料、粘合剂为蛋白。同时采用在两个活性炭电极之间加入奶酪为隔离层、在两隔离层之间加入海藻为隔膜、浸入功能饮料为电解液、最后加入蛋白为粘合剂封装的三明治结构。然而此超级电容器无压力传感性能。
现有文献中，PanelNagamalleswara RaoAlluri等人[Nano Energy，2020，73，104767]制备了一种以金和铝为电极的基于芦荟凝胶隔膜的压电采集装置，其采用三明治结构，但在应力测试时输出电压易受噪声影响，线性度不高，不易作为压力传感器件。
现有文献中，Seong WonPark等人[Organic Electronics，2018，53，213-220]制作了一种基于超级电容器的步态分析装置，其电极为基于尼龙滤纸的多壁碳纳米管，隔膜为孔聚二甲基硅氧烷，电路以模数转换器为基本单元。其不仅难降解隔膜，而且不具有控制模块，不能根据电容和应力的关系将应力大小输出到显示模块中，相比之下不够智能化。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种可部分降解的自供电压力传感器、制备方法及其测试电路。
为了实现上述目的，本发明采用的一种可部分降解的自供电压力传感器，包括第一夹具、第一电极活性层、弹性多孔水凝胶隔膜、第二电极活性层和第二夹具；
所述第一夹具与第一电极活性层贴合形成第一电极，第二夹具与第二电极活性层贴合形成第二电极，所述弹性多孔水凝胶隔膜位于第一电极、第二电极之间，所述第一电极活性层与第二电极活性层间浸润有电解质；
所述自供电压力传感器的检测范围为0～2N，测试精度达到0.1N。
进一步的，所述第一夹具和第二夹具均为金属箔片，金属箔片的厚度为0.2～0.4mm，长度为4～5cm，宽度为1.5～2.5cm。
进一步的，所述弹性多孔水凝胶隔膜的厚度为0.5～2cm，长度为4～5cm，宽度为1.5～2.5cm，所述弹性多孔水凝胶隔膜与第一夹具、第二夹具的重合面积分别为1～2mm2。
进一步的，所述弹性多孔水凝胶隔膜采用龟苓膏水凝胶或果冻，干燥后的隔膜中，碳、氧的质量占比分别为40％～45％和55％～60％。
进一步的，所述第一电极活性层、第二电极活性层的活性材料中，碳、氮、氧、磷、钾的质量占比依次为65％～78％、5％～9％、10％～15％、2％～3％、3％～6％。
进一步的，所述电解质为黄桃汁，黄桃汁中含有磷、硒、钠，分别占黄桃汁总质量的0.08％～0.7％、0.05％～0.6％、0.7％～0.9％。
所述可部分降解的自供电压力传感器在按压过程中，能够产生电流范围为0.06～0.15μA的电流信号。压力检测装置由砝码、导线、金属夹和电化学工作站构成。
另外，本发明还提供了一种所述可部分降解的自供电压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)电极活性层的制备：取面粉与水按质量比1：(20～100)混合成糊状浆料，平放第一、二夹具，将糊状浆料均匀薄涂于第一夹具和第二夹具上，置于酒精灯上烧制15～40s至碳化，得到有电极活性层的夹具，其中烧制温度在800～1000℃；
(2)弹性多孔水凝胶隔膜的处理：制备龟苓膏水凝胶作为弹性多孔隔膜，所述龟苓膏水凝胶的原料包括凉粉草、淀粉、茯苓、龟板、甘草，且质量比为(0.2～0.3)：(0.3～0.6)：(0.1～0.2)：(0.05～0.1)：(0.05～0.2)，弹性多孔水凝胶隔膜的交联密度为0.07-0.09mol/L；
(3)单电极的组装：按照第一夹具、第一电极活性层和弹性多孔水凝胶隔膜的顺序进行，其中前两者的温度保持在40～80℃，弹性多孔水凝胶隔膜的温度保持在10～40℃，先将第一夹具及第一电极活性层置于无菌洁净操作台上，将弹性多孔水凝胶隔膜水平置于第一电极活性层上，在水平面上对弹性多孔水凝胶隔膜施加纵向压力1～2KPa，压力保持10～15s，循环3～5次，使得弹性多孔水凝胶隔膜与第一电极活性层交织；接着在水平方向，对弹性多孔水凝胶隔膜施加横向剪切力0.5～2KPa，剪切力保持5～15s，循环2～3次；再于弹性多孔水凝胶隔膜上施加扭转力，所述扭转力为同时施加纵向压力1～2KPa与水平剪切力0.5～2KPa，纵向压力和水平剪切力保持5～15s，循环2～3次，使得第一电极活性层与弹性多孔水凝胶隔膜交织，且第一电极活性层蓄积电荷；
(4)双电极的组装：室温下，将均保温在40～80℃的第二电极活性层和第二夹具置于步骤(3)制得的单电极上，采用与步骤(3)相同的应力测试方式，在纵向压力、水平剪切力及扭转力的作用下，使第二电极活性层蓄积电荷；
(5)加入电解质：电解质温度控制在5～25℃，向步骤(4)的双电极内部均匀滴加电解质使两电极完全浸润；对双电极再次施加步骤(3)中的纵向压力、水平剪切力及扭转力，使得双电极内部产生电荷。
最后，本发明还提供了一种测试电路，包括所述的可部分降解的自供电压力传感器，及电源模块、控制模块、放大转换模块、显示模块、可变电阻R和可变电容C，所述可变电阻R为5～500Ω，可变电容C为10PF～100NF；
所述可部分降解的自供电压力传感器、电源模块、放大转换模块、显示模块分别与控制模块连接，所述可变电阻R及可变电容C分别与放大转换模块连接。
本发明的原理：
本发明的可部分降解的自供电压力传感器采用对称型电容器结构，属于极距变化型压力传感器。当施加纵向、剪切、扭转力时，发生作用并产生电荷，从而自行供给电能。作为压力传感器，工作时，压力的大小和生成的电荷量成正比，总体上呈现一种线性变化规律；且在不同压力作用下，两极板之间的距离会发生改变，导致其内部电容发生改变，以此达到检测压力的目的。
自供电的原理为：
当弹性多孔水凝胶隔膜与电极活性层存在温差时进行封装，此时电极活性层中的碳更容易向隔膜中渗透，在受到纵向、剪切以及扭转力作用时，能够增加电极活性材料与隔膜的接触面积，形成互相严密有序交织结构。通过弹性多孔水凝胶隔膜内部，脱乙酰基过程中形成的氢键进行A-A链相互作用；通过卵盒机制，电解液中的金属阳离子进行果胶P-果胶P链相互作用，及A-P链通过水/乙醇溶剂中的氢键相互作用，使内部产生压电的极化电荷。同时，弹性多孔水凝胶内部的氢键、P键、A键的断裂和重组，有利于离子运动的同时有效阻止电子运动，而电解质采用的食品原料黄桃汁(属于罐头)属于水系电解质，内含多种金属离子，能有效传输电荷，金属离子渗入到传感器隔膜中，使得电荷蓄积在电极活性层中。
压力传感的原理为：
(1)组装时，传感器内部产生压电极化电荷，从而第一电极活性层蓄积有正电荷，第二电极活性层蓄积有负电荷。因而当没有压力负载时，电极上仍有电荷。
(2)对隔膜施加纵向压力、水平剪切力、扭转力时，弹性多孔水凝胶隔膜的形变进一步产生压电极化电荷，且产生压电响应电流；此外，形变导致器件电容变化响应电流，共同形成整体的响应电流。
(3)当纵向压力，水平剪切力、扭转力撤除后，内部电荷在失去压电效应后恢复散乱状态，从而没有响应电流。在不同的纵向压力，水平剪切力、扭转力施加下，弹性水凝胶隔膜的形变发生相应改变，从而响应电流变化，测试力的大小与方向。
测试电路的工作原理为：
将制备好的可部分降解的自供电压力传感器与电源模块、控制模块和显示模块等连接，自供电压力传感器在不同应力下电容会发生变化，通过控制模块和放大转换模块的处理，最终将应力值输出到显示模块上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
第一、本发明自供电压力传感器使用的所有材料均为成品食物，如黄桃汁、龟苓膏、果冻、面粉等均为现成食品，无需提取、无需制备，且原料来源广泛、生产实现产业化，不仅有利于降低成本，也有利于快速降解，无毒无污染；
第二、本发明的压力传感器的检测范围大，可达0-2N；灵敏度高，其精确度可达0.1N。
第三、本发明的压力传感器具有快速降解的优点，且应用过程中不会产生废弃物，具有安全无污染的优点；充电方式及检测装置简易，具有较高的实用性；产品报废后可快速降解。此外，产品部分可食用，将夹具去除后即可食用电极、隔膜和电解质部分。
附图说明
图1为本发明实施例1-3中电极活性层的SEM图；
图2为本发明弹性多孔水凝胶隔膜的SEM图；
图3为本发明制备的自供电压力传感器的结构示意图；
图4为本发明制备的自供电压力传感器的成品图；
图5为本发明制备的自供电压力传感器的工作原理图；
图6为实施例1的样本A在压力作用下电流随压力变化的拟合曲线；
图7为实施例2的样本B在压力作用下电流随压力变化的拟合曲线；
图8为实施例3的样本C在压力作用下电流随压力变化的拟合曲线；
图9为本发明的测试电路的示意图；
图10为本发明外围测试电路的系统框架图；
图11为本发明外围测试电路的运行原理图；
图12为本发明外围测试电路的电路设计图；
图13为实施例1的样本A在压力作用下电容随压力变化的拟合曲线；
图14为实施例2的样本B在压力作用下电容随压力变化的拟合曲线；
图15为实施例3的样本C在压力作用下电容随压力变化的拟合曲线；
图16为本发明外围控制电路的结构图。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
实施例1
一种可部分降解的自供电压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)电极活性层的制备：面粉与水按质量比为1：70混合成糊状浆料，使其无颗粒状物质且具有流动性，平放第一、二夹具，将糊状浆料均匀薄涂于第一夹具和第二夹具上，置于酒精灯上烧制15s至碳化，得到有电极活性层的夹具；其中，烧制温度控制在400℃，第一电极活性层、第二电极活性层上的活性材料中，碳、氮、氧、磷、钾的质量占比依次为70％，9％，15％，2％，4％；
(2)弹性多孔水凝胶隔膜的处理：按常规方法制备龟苓膏水凝胶作为弹性多孔水凝胶隔膜，其原料含有凉粉草、淀粉、茯苓、龟板、甘草，且质量比为0.2：0.6：0.2：0.1：0.1，干燥后的隔膜中，碳、氧的质量占比分别为40％和60％，弹性多孔水凝胶隔膜的交联密度为0.07mol/L；
(3)单电极的组装：按照第一夹具、第一电极活性层和弹性多孔水凝胶隔膜的顺序进行，其中前两者的温度保持在40℃，弹性多孔水凝胶隔膜的温度保持在16℃；先将第一夹具、第一电极活性层置于无菌洁净操作台上，将弹性多孔水凝胶隔膜水平置于第一电极活性层上，在水平面上对弹性多孔水凝胶隔膜施加纵向压力1KPa，压力保持10s，循环3次，使得弹性多孔水凝胶隔膜与第一电极活性层出现电荷且互相严密有序交织；接着在水平方向，对弹性多孔水凝胶隔膜施加横向剪切力0.5KPa，剪切力保持5s，循环2次；再于弹性多孔水凝胶隔膜上施加扭转力，即同时施加纵向压力1KPa与水平剪切力0.5KPa，纵向压力和水平剪切力保持5s，循环2次，使得第一电极活性层与弹性多孔水凝胶隔膜互相严密有序交织，且单电极上的电极活性层蓄积电荷；
(4)双电极的组装：室温下将同时保温在40℃的第二电极活性层和第二金属夹具置于步骤(3)制得的单电极上；接着，采用与步骤(3)相同的应力测试方式，在纵向压力、水平剪切力及扭转力的作用下，使得双电极中另一个单电极上的电极活性层蓄积电荷；
(5)加入电解质：电解质温度控制在6℃，向步骤(4)的双电极内部均匀的滴加电解质使两电极完全浸润；对双电极再次施加步骤(3)中的纵向压力、水平剪切力及扭转力，使得双电极内部产生电荷。擦拭溢出的电解质，保证洁净美观。其中的电解质为黄桃罐头汁，含有微量金属元素磷、硒、钠，其分别占黄桃汁总质量的0.7％，0.6％，0.9％。
实施例1制得自供电压力传感器中的弹性多孔水凝胶隔膜可降解。图1(a)为电极活性层的SEM图，可发现，其表面粗糙，有利于增大与弹性多孔水凝胶隔膜的接触面积；图2为弹性多孔水凝胶隔膜的SEM图，说明电极活性层可与弹性多孔水凝胶隔膜形成互相严密有序的交织。
实施例2
一种可部分降解的自供电压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)电极活性层的制备：面粉与水按质量比为1：50混合成糊状浆料，使其无颗粒状物质且具有流动性，平放第一、二夹具，将糊状浆料均匀薄涂于第一夹具和第二夹具上，置于酒精灯上烧制30s至碳化，得到有电极活性层的夹具；其中，烧制温度控制在500℃，第一电极活性层、第二电极活性层上的活性材料中，碳、氮、氧、磷、钾的质量占比依次为75％，6％，11％，3％，5％；
(2)弹性多孔水凝胶隔膜的处理：按常规方法制备龟苓膏水凝胶作为弹性多孔水凝胶隔膜，其原料含有凉粉草、淀粉、茯苓、龟板、甘草，且质量比为0.2：0.5：0.1：0.1：0.2，干燥后的隔膜中，碳、氧的质量占比分别为43％和57％，弹性多孔水凝胶隔膜的交联密度为0.08mol/L；
(3)单电极的组装：按照第一夹具、第一电极活性层和弹性多孔水凝胶隔膜的顺序进行，其中前两者的温度保持在50℃，弹性多孔水凝胶隔膜的温度保持在18℃；先将第一夹具、第一电极活性层置于无菌洁净操作台上，将弹性多孔水凝胶隔膜水平置于第一电极活性层上，在水平面上对弹性多孔水凝胶隔膜施加纵向压力1.5KPa，压力保持12s，循环3次，使得弹性多孔水凝胶隔膜与第一电极活性层出现电荷且互相严密有序交织；接着在水平方向，对弹性多孔水凝胶隔膜施加横向剪切力1KPa，剪切力保持7s，循环2次；再于弹性多孔水凝胶隔膜上施加扭转力，即同时施加纵向压力1.5KPa与水平剪切力1.5KPa，纵向压力和水平剪切力保持7s，循环2次，使得第一电极活性层与弹性多孔水凝胶隔膜互相严密有序交织，且单电极上的电极活性层蓄积电荷；
(4)双电极的组装：室温下将同时保温在50℃的第二电极活性层和第二夹具置于步骤(3)制得的单电极上；接着，采用与步骤(3)相同的应力测试方式，在纵向压力、水平剪切力及扭转力的作用下，使得双电极中另一个单电极上的电极活性层蓄积电荷；
(5)加入电解质：电解质温度控制在8℃，向步骤(4)的双电极内部均匀的滴加电解质使两电极完全浸润；对双电极再次施加步骤(3)中的纵向压力、水平剪切力及扭转力，使得双电极内部产生电荷。擦拭溢出的电解质，保证洁净美观。其中的电解质为黄桃罐头汁，含有微量金属元素磷、硒、钠，其分别占黄桃汁总质量的0.7％，0.6％，0.7％；
实施例2制得自供电压力传感器中的弹性多孔水凝胶隔膜可降解。图1(b)为电极活性层的SEM图，可发现，其表面较粗糙，可有利于增大与弹性多孔水凝胶隔膜的接触面积；图2为弹性多孔水凝胶隔膜的SEM图，从而，电极活性层可与弹性多孔水凝胶隔膜形成互相严密有序的交织。
实施例3
一种可部分降解的自供电压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)电极活性层的制备：面粉与水按质量比为1：20混合成糊状浆料，使其无颗粒状物质且具有流动性，平放第一、二夹具，将糊状浆料均匀薄涂于第一夹具和第二夹具上，置于酒精灯上烧制40s至碳化，得到有电极活性层的夹具；其中，烧制温度控制在600℃，第一电极活性层、第二电极活性层上的活性材料中，碳、氮、氧、磷、钾的质量占比依次为78％，5％，10％，3％，4％；
(2)弹性多孔水凝胶隔膜的处理：按常规方法制备龟苓膏水凝胶作为弹性多孔水凝胶隔膜，其原料含有凉粉草、淀粉、茯苓、龟板、甘草，且质量比为0.3：0.5：0.2：0.05：0.2，干燥后的隔膜中，碳、氧的质量占比分别为45％和55％，弹性多孔水凝胶隔膜的交联密度为0.09mol/L；
(3)单电极的组装：按照第一夹具、第一电极活性层和弹性多孔水凝胶隔膜的顺序进行，其中前两者的温度保持在60℃，弹性多孔水凝胶隔膜的温度保持在10℃；先将第一夹具、第一电极活性层置于无菌洁净操作台上，将弹性多孔水凝胶隔膜水平置于第一电极活性层上，在水平面上对弹性多孔水凝胶隔膜施加纵向压力2KPa，压力保持15s，循环3次，使得弹性多孔水凝胶隔膜与第一电极活性层出现电荷且互相严密有序交织；接着在水平方向，对弹性多孔水凝胶隔膜施加横向剪切力2KPa，剪切力保持10s，循环2次；再于弹性多孔水凝胶隔膜上施加扭转力，即同时施加纵向压力2KPa与水平剪切力2KPa，纵向压力和水平剪切力保持10s，循环2次，使得第一电极活性层与弹性多孔水凝胶隔膜互相严密有序交织，且单电极上的电极活性层蓄积电荷；
(4)双电极的组装：室温下将同时保温在60℃的第二电极活性层和第二金属夹具置于步骤(3)制得的单电极上；接着，采用与步骤(3)相同的应力测试方式，在纵向压力、水平剪切力及扭转力的作用下，使得双电极中另一个单电极上的电极活性层蓄积电荷；
(5)加入电解质：电解质温度控制在10℃，向步骤(4)的双电极内部均匀的滴加电解质使两电极完全浸润；对双电极再次施加步骤(3)中的纵向压力、水平剪切力及扭转力，使得双电极内部产生电荷。擦拭溢出的电解质，保证洁净美观。其中的电解质为黄桃罐头汁，含有微量金属元素磷、硒、钠，其分别占黄桃汁总质量的0.7％，0.6％，0.8％；
实施例3制得自供电压力传感器中的弹性多孔水凝胶隔膜可降解。图1(c)为电极活性层的SEM图，可发现，其表面比较粗糙，有利于增大与弹性多孔水凝胶隔膜的接触面积；图2为弹性多孔水凝胶隔膜的SEM图，从而，电极活性层可与弹性多孔水凝胶隔膜形成互相严密有序的交织。
实施例1-3制得自供电压力传感器的性能分析：
以实施例1制得的自供电压力传感器为样本A，以实施例2制得自供电压力传感器为样本B；
图3为自供电压力传感器的结构示意图，依次包括第一金属箔片1、第一电极活性层2、弹性多孔水凝胶隔膜3、第二电极活性层4、第二金属箔片5；
图4为自供电压力传感器的实物图；
图5为自供电压力传感器的工作原理图；
使用时，用砝码模拟0～2N之间不同大小的压力，最小间隔为0.1N，以固定的时间间隔施加压力，在电化学工作台上得到测试图像。
图6为基于样本A的自供电压力传感器的“相对电流-应力”曲线，测试时未外加电源。基于样本A的自供电压力传感器的灵敏度为S＝0.35KPa-1；拟合度为0.92，在1000次稳定性测试下，压力传感器的性能保持为83.95％。
图7为样本B的自供电压力传感器的“相对电流-应力”曲线，其灵敏度为S＝0.53KPa-1；拟合度为0.99，在1000次稳定性测试下，压力传感器的性能保持为85.39％。这说明，本发明的自供电压力传感器在无外加电源的情况下，仅靠压力作用也有电流输出，即具有自供电特性。
对比发现，样本B的灵敏度高于样本A，这是因为在基于样本B的自供电压力传感器中，电极活性层的粗糙程度比样本A高，导致样本B电极活性层与弹性多孔水凝胶隔膜的接触面积变大，电极活性层可与弹性多孔水凝胶隔膜形成互相严密有序的交织，从而导电性能变好。
另外，以实施例1制得的自供电压力传感器为样本A，以实施例3制得自供电压力传感器为样本C。
使用时，用砝码模拟0～2N之间不同大小的压力，最小间隔为0.1N，以固定的时间间隔施加压力，在电化学工作站和LCR工作台上得到测试图像。
图8为样本C的自供电压力传感器的“相对电流-应力”曲线，灵敏度为S＝0.49KPa-1；拟合度为0.95，在1000次稳定性测试下，压力传感器的性能保持为82.25％对比发现，样本C的自供电压力传感器在性能上优于样本A；低于样本B。样本C的电极活性层比样本A、B厚，表面比较粗糙，易脱落，导致电极活性层与弹性多孔水凝胶隔膜的实际接触面积小于样本B，但是大于样本A，样本B的电极活性层可与弹性多孔水凝胶隔膜形成更多互相严密有序的交织。从而样本B的导电性优于样本A、C。
实施例4
一种测试电路，如图9所示，包括显示模块6、控制模块7、电源模块8、自供电压力传感器9、放大转换模块10、可变电阻R11、可变电容C12；
所述自供电压力传感器9、电源模块8、放大转换模块10、显示模块6分别与控制模块7连接，所述可变电阻R11及可变电容C12分别与放大转换模块10连接；
自供电压力传感器的框架如图10所示，其中，电源模块8为3V直流电供电，放大转换模块10中设有555触发器，可调节传感器波形输出的稳定性；控制模块7中设有STM32单片机，可根据程序判断电容值对应的压力值。以STM32和555触发器为高灵敏度压力传感器的主要模块，可准确的根据电容型压力传感器的电容变化测量所受的应力大小。
自供电压力传感器9的输入信号通过555触发器经过STM32数据处理，将相应的应力输出到显示模块6中。
具体的：
在应力作用下，自供电压力传感器9的电容变化会通过放大转换模块10中的555触发器、可变电阻R11、可变电容C12的协同作用，转换并放大为频率变化。接着，将频率变化传输到控制模块7，与控制模块7中设置的“初始频率与力的关系”进行比照，当频率变化在预设范围内时，可通过控制模块7进行智能准确的拟合和输出加载的应力值。
自供电压力传感器的外围测试电路的运行流程如图11所示。当工作开始，电源向STM32单片机提供工作电压，在不同压力下传感器输出不同的电容值：
当STM32单片机获取电容器的电容值在检测范围时(YES)，检测电容值与预设频率的对应关系；
当STM32单片机获取电容器的电容值不在检测范围时(NO)，输出错误，并重新获取电容器电容值；
当STM32单片机获取电容器的电容值等于频率预设值时(YES)，输出对应压力值；
当STM32单片机获取电容值与预设频率值不同时(NO)，控制模块根据获取电容器电容值智能线性拟合，输出压力值。
自供电压力传感器的外围测试电路如图12所示，其中，自供电压力传感器的位置位于标注13处，压力传感器可等效为一个电容和一个电阻的串联。在不同的压力下，压力传感器的电容会发生变化，电容的变化值会在放大转换模块下，经过放大和频率转换输入到控制模块中，进而由控制模块进行处理。
基于实施例1制得的可部分降解的自供电压力传感器，记为样本A，基于实施例2制得的可部分降解的自供电压力传感器，记为样本B。
使用时，用砝码模拟0～2N间不同大小的压力，最小间隔为0.1N，以固定的时间间隔施加压力，在电化学工作站和LCR工作台上得到测试图像。
图13为样本A的自供电压力传感器，其相对电容变化与应力之间的关系曲线，其灵敏度为S＝0.25KPa-1；拟合度为0.95，在1000次稳定性测试下，压力传感器的性能保持为85.37％。图14为样本B的自供电压力传感器，其相对电容变化与应力之间的关系曲线，灵敏度为S＝0.27KPa-1；拟合度为0.97，在1000次稳定性测试下，压力传感器的性能保持为87.15％。对比数据发现，基于样本B的压力传感器在性能上优于样本A，这是由于样本B中电极活性层较厚，且电极活化层的粗糙程度较高，导致样本B中电极活性层与弹性多孔水凝胶隔膜的接触面积变大，从而导电性能优于样本A。
以实施例3制得可部分降解的自供电压力传感器记为样本C。
使用时，用砝码模拟0～2N间不同大小的压力，最小间隔为0.1N，以固定的时间间隔施加压力，在电化学工作站和LCR工作台上得到测试图像。
图15为样本C自供电压力传感器，其相对电容变化与应力之间的关系曲线，灵敏度为S＝0.23KPa-1；拟合度为0.94，在1000次稳定性测试下，压力传感器的性能保持为83.52％。数据对比发现，样本B的传感器灵敏度最高，是由于样本B中电极活性层厚度及电极活性层与弹性多孔水凝胶隔膜实际接触面积大于样本A、C，因此样本B电极活性层可与弹性多孔水凝胶隔膜更易形成互相严密有序的交织。综上得，样本B为最佳的电容性压力传感器，其灵敏度高，线性度好，循环稳定性高。
采用基于样本B的压力传感器14，因为其较好的电容-应力关系，取样本C在0、0.2、0.5、1、2N下的电容值，然后将电容值转化为频率值，最后将“频率与力的关系”输入到控制模块中，作为预设值；从而当外力在0-2N范围内时，可拟合得到应力值。
一种可部分降解的自供电压力传感器的外围控制电路如图16所示，基于样本C的压力传感器14通过输入输出端口15与电路板连接，可变电阻R11、可变电容C12分别与放大转换模块10连接，所述放大转换模块10、显示模块6分别与控制模块7连接，控制模块7通过电源接口16接电源。
首先将压力测试电路中的各模块相连接，然后在不同的应力下压力传感器会产生不同的电容值，电容值的变化会通过控制模块和放大转换模块转换成频率值，然后依照频率值，调取“频率与力的关系”的力值，且输出到显示模块上。若测试应力不在此范围，显示模块会输出错误。
本发明利用可部分降解的自供电的电容型压力传感器的压电性质，节约传统传感器的供电部分，同时缩小体积、降低成本；利用其可以快速降解和快速生产的特点，在保证安全无污染的同时降低时间成本；此外，该压力传感器还能精确地解决口腔咬合力测试等问题。外围测试电路由利用了其超级电容型的压力传感特性的传感器和电源模块、显示模块、控制模块等组成。
本发明的食材来源广泛，不仅有利于降低成本，而且制备的压力传感器具有灵敏度高、人体危害小、可快速降解、安全无污染等许多优良特性。因此，本发明在高科技医疗、人体健康等领域具有广阔的发展前景。可广泛应用于医用咬合力传感检测、电子皮肤、味觉刺激、农作物成熟检测等方面。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可部分降解的自供电压力传感器，其特征在于，包括第一夹具、第一电极活性层、弹性多孔水凝胶隔膜、第二电极活性层和第二夹具；
所述第一夹具与第一电极活性层贴合形成第一电极，第二夹具与第二电极活性层贴合形成第二电极，所述弹性多孔水凝胶隔膜位于第一电极、第二电极之间，所述第一电极活性层与第二电极活性层间浸润有电解质；
所述自供电压力传感器的检测范围为0～2N，测试精度达到0.1N。
2.根据权利要求1所述的一种可部分降解的自供电压力传感器，其特征在于，所述第一夹具和第二夹具均为金属箔片，金属箔片的厚度为0.2～0.4mm，长度为4～5cm，宽度为1.5～2.5cm。
3.根据权利要求1所述的一种可部分降解的自供电压力传感器，其特征在于，所述弹性多孔水凝胶隔膜的厚度为0.5～2cm，长度为4～5cm，宽度为1.5～2.5cm，所述弹性多孔水凝胶隔膜与第一夹具、第二夹具的重合面积分别为1～2mm2。
4.根据权利要求3所述的一种可部分降解的自供电压力传感器，其特征在于，所述弹性多孔水凝胶隔膜采用龟苓膏水凝胶或果冻，干燥后的隔膜中，碳、氧的质量占比分别为40％～45％和55％～60％。
5.根据权利要求1所述的一种可部分降解的自供电压力传感器，其特征在于，所述第一电极活性层、第二电极活性层的活性材料中，碳、氮、氧、磷、钾的质量占比依次为65％～78％、5％～9％、10％～15％、2％～3％、3％～6％。
6.根据权利要求1所述的一种可部分降解的自供电压力传感器，其特征在于，所述电解质为黄桃汁，黄桃汁中含有磷、硒、钠，分别占黄桃汁总质量的0.08％～0.7％、0.05％～0.6％、0.7％～0.9％。
7.一种权利要求1-6任一项所述可部分降解的自供电压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电极活性层的制备：取面粉与水按质量比1：(20～100)混合成糊状浆料，平放第一、二夹具，将糊状浆料均匀薄涂于第一夹具和第二夹具上，置于酒精灯上烧制15～40s至碳化，得到有电极活性层的夹具，其中烧制温度在800～1000℃；
(2)弹性多孔水凝胶隔膜的处理：制备龟苓膏水凝胶作为弹性多孔隔膜，所述龟苓膏水凝胶的原料包括凉粉草、淀粉、茯苓、龟板、甘草，且质量比为(0.2～0.3)：(0.3～0.6)：(0.1～0.2)：(0.05～0.1)：(0.05～0.2)，弹性多孔水凝胶隔膜的交联密度为0.07-0.09mol/L；
(3)单电极的组装：按照第一夹具、第一电极活性层和弹性多孔水凝胶隔膜的顺序进行，其中前两者的温度保持在40～80℃，弹性多孔水凝胶隔膜的温度保持在10～40℃，先将第一夹具及第一电极活性层置于无菌洁净操作台上，将弹性多孔水凝胶隔膜水平置于第一电极活性层上，在水平面上对弹性多孔水凝胶隔膜施加纵向压力1～2KPa，压力保持10～15s，循环3～5次，使得弹性多孔水凝胶隔膜与第一电极活性层交织；接着在水平方向，对弹性多孔水凝胶隔膜施加横向剪切力0.5～2KPa，剪切力保持5～15s，循环2～3次；再于弹性多孔水凝胶隔膜上施加扭转力，所述扭转力为同时施加纵向压力1～2KPa与水平剪切力0.5～2KPa，纵向压力和水平剪切力保持5～15s，循环2～3次，使得第一电极活性层与弹性多孔水凝胶隔膜交织，且第一电极活性层蓄积电荷；
(4)双电极的组装：室温下，将均保温在40～80℃的第二电极活性层和第二夹具置于步骤(3)制得的单电极上，采用与步骤(3)相同的应力测试方式，在纵向压力、水平剪切力及扭转力的作用下，使第二电极活性层蓄积电荷；
(5)加入电解质：电解质温度控制在5～25℃，向步骤(4)的双电极内部均匀滴加电解质使两电极完全浸润；对双电极再次施加步骤(3)中的纵向压力、水平剪切力及扭转力，使得双电极内部产生电荷。
8.一种测试电路，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的自供电压力传感器，及电源模块、控制模块、放大转换模块、显示模块、可变电阻R和可变电容C，所述可变电阻R为5～500Ω，可变电容C为10PF～100NF；
所述可部分降解的自供电压力传感器、电源模块、放大转换模块、显示模块分别与控制模块连接，所述可变电阻R及可变电容C分别与放大转换模块连接。
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