CN114623947A - 一种柔性温度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性温度传感器及其制备方法，柔性温度传感器包括柔性基底、第一电极、第二电极和离子凝胶层；第一电极、第二电极以及离子凝胶层分别位于柔性基底的一侧面，第一电极和第二电极固定在柔性基底上，离子凝胶层覆盖在第一电极和第二电极上；或第一电极和第二电极分别固定在两个独立的柔性基底上，形成第一柔性电极和第二柔性电极，离子凝胶层的上下表面分别与第一柔性电极的第一电极以及第二柔性电极的第二电极固定连接。本发明采用离子凝胶层作为温敏层，具有柔韧性好、环境稳定性高等优点，同时具有使用寿命长和安全的优势，克服了使用过程中离子液体外泄的风险。本发明可采用不同结构形式，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及传感器相关技术领域，具体涉及一种柔性温度传感器及其制备方法。
背景技术
柔性温度传感器具有良好的柔韧性，变形不易损坏，可延展弯曲等特点,广泛应用于运动、医疗健康监测、消防、航空航天、通信等领域。目前大部分热电阻式温度传感器是以金属制作的，然而，这些传感器采用非柔性材料制成，只能测量表面平整的物体的温度，且需要额外的传感器封装，使其应用前景受到很大限制。
离子液体作为一种新型的绿色溶剂，因其具有导电性好、电化学窗口宽、物理化学性质可调等优势被受关注。近年来人们利用其导电性与离子运动速率的关系开拓了其在温度传感领域的应用，并实现了离子液体基柔性温度传感器的制备。但是由于液体存在泄露的风险从而限制其使用寿命及应用场景。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在问题的一种或几种，提供了一种柔性温度传感器及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种柔性温度传感器，包括柔性基底、第一电极、第二电极和离子凝胶层；
所述第一电极、第二电极以及离子凝胶层分别位于所述柔性基底的一侧面，所述第一电极和第二电极固定在柔性基底上，所述离子凝胶层覆盖在所述第一电极和第二电极上；
或，所述第一电极和第二电极分别固定在两个独立的柔性基底上，形成第一柔性电极和第二柔性电极，所述离子凝胶层的上下表面分别与第一柔性电极的第一电极以及第二柔性电极的第二电极固定连接。
本发明的有益效果是：本发明的柔性温度传感器，采用离子凝胶层作为温敏层，具有柔韧性好、环境稳定性高等优点，制备的柔性温度传感器具有柔性好且使用寿命长和安全的优势，克服了柔性温度传感器在使用过程中液体外泄的风险。本发明的柔性温度传感器可以根据装配需要，采用三明治夹层结构，也可以采用平面型结构，适用范围广。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述离子凝胶层的制备材料包括离子液体和聚合物。
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明一方面利用离子液体中离子运动速率与温度的关系来实现高灵敏度柔性温度传感器的制备，另一方面通过交联反应将离子液体锁在聚合物中，克服了柔性温度传感器在使用过程中液体外泄的风险。
进一步，所述离子液体由有机阳离子和无机阴离子任意搭配组成。
进一步，所述离子液体的有机阳离子包括季胺型有机阳离子、季膦型有机阳离子、咪唑型有机阳离子、吡咯型有机阳离子、哌啶型有机阳离子和吡啶型有机阳离子中的任意一种。
进一步，所述离子液体的无机阴离子包括卤素阴离子、六氟磷酸盐、四氟硼酸盐中的任意一种。
进一步，所述聚合物包括聚合单体和高分子聚合物中的任意一种或两种；所述聚合单体包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯及甲基丙烯酸乙酯中的任意一种或几种；所述高分子聚合物包括偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物，聚乙烯醇，聚乙二醇，聚丙烯睛中的任意一种或几种。
进一步，所述第一电极和第二电极为沉积在柔性基底上的金属薄膜、印刷在柔性基底表面的导电材料，或金属纸中的任意一种。
进一步，所述导电材料包括金属导电材料、导电聚合物、碳基导电材料中的任意一种。
进一步，所述离子凝胶层的制备方法包括光聚合、热聚合、化学催化聚合中的任意一种。
一种上述柔性温度传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1，在同一个柔性基底表面制备第一电极和第二电极，或在两个不同的柔性基底表面分别制备第一电极和第二电极；
S2，将离子液体和聚合物进行聚合制备离子凝胶层；
S3，将制备好的离子凝胶层贴合在同一个柔性基底表面的第一电极和第二电极上，形成平面型的柔性温度传感器；
或，将两个不同柔性基底表面的第一电极和第二电极分别固定在制备好的离子凝胶层的上下表面，形成“三明治”型的柔性温度传感器。
本发明的有益效果是：本发明的制备方法获得的柔性温度传感器，具有柔性好且使用寿命长和安全的优势。
附图说明
图1为本发明柔性温度传感器一种实施例的剖面结构示意图；
图2为本发明柔性温度传感器一种实施例的立体结构示意图；
图3为本发明柔性温度传感器另一种实施例的结构示意图一；
图4为本发明柔性温度传感器另一种实施例的结构示意图二；
图5为本发明实施例1中“三明治”型结构的柔性温度传感器所获得的器件电阻随温度变化曲线图；
图6为本发明实施例3中平面型结构的柔性温度传感器所获得的器件电阻随温度变化曲线图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、第一柔性电极；2、第二柔性电极；3、离子凝胶层；4、柔性基底；5、第一电极；6、第二电极。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。
参照附图1～图4，本发明的一种柔性温度传感器，包括柔性基底4、第一电极5、第二电极6和离子凝胶层3，第一电极5和第二电极6分别固定在柔性基底4上，并分别与离子凝胶层3接触，形成三明治夹层结构或平面型结构，具体如下：
本发明柔性温度传感器的一种可选方案为，如图3和图4所示，所述第一电极5、第二电极6以及离子凝胶层3分别位于所述柔性基底4的一侧面，所述第一电极5和第二电极6固定在柔性基底4上，所述离子凝胶层3覆盖在所述第一电极5和第二电极6上，形成平面型结构的柔性温度传感器；平面型结构的柔性温度传感器中，可以采用第一电极5和第二电极6间隔并排布置的结构形式，如图3所示，也可以采用插指电极形式，如图4所示。
一种柔性温度传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1，在同一个柔性基底4表面制备第一电极5和第二电极6；
S2，将离子液体和聚合物进行聚合制备离子凝胶层3；离子液体占(聚合物+离子液体)总质量的10％～50％；
S3，将制备好的离子凝胶层3贴合在同一个柔性基底4表面的第一电极5和第二电极6上，形成平面型的柔性温度传感器。
本发明柔性温度传感器的另一个可选方案为，如图1和图2所示，所述第一电极5和第二电极6分别固定在两个独立的柔性基底4上，形成第一柔性电极1和第二柔性电极2，所述离子凝胶层3的上下表面分别与第一柔性电极1的第一电极5以及第二柔性电极2的第二电极6固定连接，形成三明治型的柔性温度传感器。
一种柔性温度传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1，在两个不同的柔性基底4表面分别制备第一电极5和第二电极6；
S2，将离子液体和聚合物进行聚合制备离子凝胶层3；
S3，将两个不同柔性基底4表面的第一电极5和第二电极6分别固定在制备好的离子凝胶层3的上下表面上，形成“三明治”型的柔性温度传感器。
上述两种不同结构的柔性温度传感器中，所述离子凝胶层的制备材料包括离子液体和聚合物。所述离子凝胶层的制备方法包括光聚合、热聚合、化学催化聚合中的任意一种。采用离子液体固定在固态聚合物中得到离子凝胶层，不仅保留了离子液体本身的优点，同时具有柔韧性好、环境稳定性高、等优点。一方面利用离子液体中离子运动速率与温度的关系来实现高灵敏度柔性温度传感器的制备，另一方面通过交联反应将离子液体锁在聚合物中，克服了柔性温度传感器在使用过程中液体外泄的风险。
其中，所述离子液体由有机阳离子和无机阴离子任意搭配组成。
具体的，所述离子液体的有机阳离子包括季胺型有机阳离子、季膦型有机阳离子、咪唑型有机阳离子、吡咯型有机阳离子、哌啶型有机阳离子和吡啶型有机阳离子中的任意一种。所述离子液体的无机阴离子包括卤素阴离子、六氟磷酸盐、四氟硼酸盐中的任意一种。
进一步的，所述聚合物包括聚合单体和高分子聚合物中的任意一种或两种；所述聚合单体包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯及甲基丙烯酸乙酯中的任意一种或几种；所述高分子聚合物包括偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物，聚乙烯醇，聚乙二醇，聚丙烯睛中的任意一种。
所述第一电极和第二电极为沉积在柔性基底上的金属薄膜、印刷在柔性基底表面的导电材料，或金属纸中的任意一种。所述导电材料包括金属导电材料、导电聚合物、碳基导电材料中的任意一种。
本发明的柔性温度传感器，采用离子凝胶层作为温敏层，具有柔韧性好、环境稳定性高等优点，制备的柔性温度传感器具有柔性好且使用寿命长和安全的优势，克服了柔性温度传感器在使用过程中液体外泄的风险。本发明的柔性温度传感器可以根据装配需要，采用三明治夹层结构，也可以采用平面型结构，适用范围广。
下面结合附图描述根据本发明的柔性温度传感器的几个具体实施例。
实施例1
本实施例中，柔性温度传感器的器件结构为上下“三明治”型结构，第一电极和第二电极均为在柔性基底(PI膜)上沉积的金膜。离子凝胶层中离子液体为1-甲基-3-乙烯基咪唑四氟硼酸盐，聚合物为聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(P(VDF-HFP))，两者通过热聚合的方式聚合而成。
本实施例的柔性温度传感器具体制作步骤：
S1，将P(VDF-HFP)溶解于丙酮溶剂中，然后加入一定量的离子液体并搅拌，离子液体占(P(VDF-HFP+离子液体)总质量的10％，使之充分混合，得到混合液体，然后将混合溶液滴加或旋涂至固态基底(固体基底是指任何表面平整的固态材料作为基底，比如玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等)表面，在110℃温度下反应2h，使丙酮溶剂彻底挥发获得离子凝胶层；
S2，在柔性基底(PI膜)表面采用热蒸镀的方式沉积200nm金属膜(180nmAu和20nmCr)，得到两个独立的柔性电极，分别为第一柔性电极和第二柔性电极；
S3，将获得的离子凝胶层与制备好的柔性电极进行上下粘贴封装，保证离子凝胶层的上表面与第一柔性电极的第一电极接触，离子凝胶层的下表面与第二柔性电极的第二电极接触，获得“三明治”型结构的柔性温度传感器。
在此基础上，将本实施例所提供的柔性温度传感器放置于加热板上，通过加热板来控制温度变化，同时将离子凝胶层上下的第一电极和第二电极分别接入万用表两端进行了温敏特性测试，其测试结果如图5所示。其中横坐标为温度，纵坐标△R为电阻变化值，R0为初始电阻，从图中可以看出，柔性温度传感器的电阻变化随着温度升高而升高。说明本实施例提供的柔性温度传感器可实现对温度检测。同时在10-100℃范围之内具有很好的线性特性。
此外，本实施例所提供的柔性温度传感器与传统热电阻(金属材料作为敏感层)相比具有柔性优势，同时基于该柔性温度传感器的宽温度检测范围可应用于工业机器人、人机互交等领域；同时跟现有离子液体基温度传感器相比，离子液体(1-甲基-3-乙烯基咪唑四氟硼酸盐)被锁在聚合物P(VDF-HFP)中间，流动性小，具有液体不易外泄漏使用寿命长的优势。
实施例2
本实施例中，柔性温度传感器的器件结构同样选取上下“三明治”型结构，其中，所述第一电极和第二电极为印刷在柔性基底表面的导电材料，导电材料为聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)导电材料。离子凝胶层中离子液体为N-乙基吡啶双(三氟甲磺酰)亚胺，聚合物单体为丙烯酰胺(AM)，1、6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)，两者通过催化反应的方式聚合而成。
本实施例的柔性温度传感器具体制作步骤：
S1，将AM和HDDA按4：3的质量分数比例通过超声分散，然后加入一定量的离子液体并搅拌，离子液体占总质量(AM+HDDA+离子液体)的20％，使之充分混合，得到混合溶液，然后将混合溶液滴加或旋涂至固态基底(固体基底是指任何表面平整的固态材料作为基底，比如玻璃、PET等)表面，在100瓦365nm紫外灯光照反应10min，然后在100℃条件下使DMF溶剂彻底挥发获得离子凝胶材料；
S2，将商用PEDOT：PSS导电材料采用印刷的方式转移到柔性基底(PDMS)表面，得到两个独立的柔性电极，分别为第一柔性电极和第二柔性电极；
S3，将获得的离子凝胶层与制备好的柔性电极进行上下粘贴封装，保证离子凝胶层的上表面与第一柔性电极的第一电极接触，离子凝胶层的下表面与第二柔性电极的第二电极接触，获得“三明治”型结构的柔性温度传感器。
同样的，将本实施例所提供的柔性温度传感器采用与实施例1相同的方式，通过加热板来控制温度变化，同时将离子凝胶层上下的第一电极和第二电极分别接入万用表两端进行了温敏特性测试，其测试结果与实施例1的测试结果基本一致，在此不再赘述，本实施例提供的柔性温度传感器可实现对温度检测。同时在10-100℃范围之内具有很好的线性特性。
本实施例所提供的柔性温度传感器中，N-乙基吡啶双(三氟甲磺酰)亚胺基离子凝胶材料作为敏感层，离子液体通过和聚合物单体催化反应被锁在聚合物链与传统热电阻(金属材料作为敏感层)相比具有柔性优势，可以用于运动、医疗健康监测等领域；同时跟现有离子液体基温度传感器相比，离子液体(1-甲基-3-乙烯基咪唑四氟硼酸盐)被锁在聚合物AM与HDDA的反应产物中间，流动性小，具有液体不易外泄漏使用寿命长的优势。
实施例3
本实施例中，柔性温度传感器的器件结构采用平面结构，柔性基底为PI膜，第一电极和第二电极均为在PI膜蒸镀沉积的金膜，第一电极和第二电极之间的沟道间距为8mm。离子凝胶层中离子液体为1-甲基-3-乙烯基咪唑四氟硼酸盐，聚合物为P(VDF-HFP)，两者通过热聚合的方式聚合而成。
本实施例的柔性温度传感器具体制作步骤：
S1，制备柔性电极，具体包括制备与电极结构互补镂空掩膜版，将PI膜紧贴在制备好掩膜版下面，采用真空蒸镀的方式蒸镀沉积200nm金属膜(180nmAu和20nm Cr)，然后将掩膜版取下获得的电极宽度为1mm，电极厚度为200nm，两电极沟道宽度8mm；
S2，将P(VDF-HFP)溶解于丙酮溶剂中，然后加入一定量的离子液体并搅拌，离子液体占(P(VDF-HFP+离子液体)总质量的50％，使之充分混合，形成离子凝胶前驱体溶液。
S3，将制备好的离子凝胶前驱体溶液滴加至制备有柔性电极的PI膜表面，并通过旋涂的方式使之均匀成膜。
S4，制备有电极和离子凝胶前驱体的柔性基底放置在110℃温度下反应2h，使丙酮溶剂彻底挥发，并固化获得离子凝胶层紧贴在电极表面形成平面型柔性温度传感器。
在此基础上，将本实施例所提供的平面型柔性温度传感器放置于加热板上，通过加热板来控制温度变化，同时将上下电极分别接入万用表两端进行了温敏特性测试，其测试结果如图6所示。其中横坐标为温度，纵坐标为△R为电阻变化值，R0为初始电阻，从图中可以看出，柔性温度传感器器件的电阻变化随着温度升高而升高。说明本实施例提供的温度传感器可实现对温度检测。此外，本实施例所提供的温度传感器与传统热电阻(金属材料作为敏感层)相比具有柔性优势，同时基于该器件在30-45℃具有较好分辨率特性，有望应用于医疗领域人体体温实时在线监测。同时跟现有离子液体基温度传感器相比，离子液体(1-甲基-3-乙烯基咪唑四氟硼酸盐)被锁在聚合物P(VDF-HFP)中间，流动性小，具有液体不易外泄漏可保证器件长时程监测。
实施例4
本实施例中，本实施例的柔性温度传感器的器件结构为基于插指电极的平面型结构，其中柔性基底为PDMS薄膜，第一电极和第二电极均为柔性基底上沉积的Cu膜，第一电极和第二电极之间的沟道间距为200μm。。离子凝胶层中离子液体为N-丁基吡啶四氟硼酸盐，高分子聚合物单体为聚乙烯醇(PVA)，两者通过热聚合的方式聚合而成。
本实施例的柔性温度传感器具体制作步骤：
S1，制备柔性电极，具体包括制备与电极结构互补具有插指形状的镂空掩膜版，将PI膜紧贴在制备好掩膜版下面，采用真空蒸镀的方式蒸镀沉积200nm金膜(180nmAu和20nmCr)，然后将掩膜版取下获得的电极宽度为1mm，电机厚度200nm，插指电极之间沟道宽度为200μm；
S2，将PVA溶解于去离子水中，然后加入一定量的离子液体并搅拌，离子液体占总质量(PVA+离子液体)的45％，使之充分混合，形成离子凝胶前驱体溶液。
S3，将所获得的离子凝胶前驱体液滴加或旋涂至制备有插指电极的柔性基底表面，在120℃条件下使去离子水彻底挥发并固化获得离子凝胶层，并使离子凝胶层紧贴电极和柔性基底表面。
同样的，将本实施例所提供的柔性温度传感器采用与实施例3相同的方式，通过加热板来控制温度变化，同时将离子凝胶层与柔性基底之间的第一电极和第二电极分别接入万用表两端进行了温敏特性测试，其测试结果与实施例4的测试结果基本一致，在此不再赘述，本实施例提供的柔性温度传感器器件的电阻变化随着温度升高而升高。说明本实施例提供的温度传感器可实现对温度检测。本实施例所提供的柔性温度传感器跟现有离子液体基温度传感器相比，离子液体(1-甲基-3-乙烯基咪唑四氟硼酸盐)被锁在聚合物PVA中间，流动性小，具有液体不易外泄漏可保证器件长时程监测。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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 (10)
1.一种柔性温度传感器，其特征在于，包括柔性基底、第一电极、第二电极和离子凝胶层；
所述第一电极、第二电极以及离子凝胶层分别位于所述柔性基底的一侧面，所述第一电极和第二电极固定在柔性基底上，所述离子凝胶层覆盖在所述第一电极和第二电极上；
或，所述第一电极和第二电极分别固定在两个独立的柔性基底上，形成第一柔性电极和第二柔性电极，所述离子凝胶层的上下表面分别与第一柔性电极的第一电极以及第二柔性电极的第二电极固定连接。
2.根据权利要求1所述一种柔性温度传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极采用直线型电极或插指电极。
3.根据权利要求1所述一种柔性温度传感器，其特征在于，所述离子凝胶层的制备材料包括离子液体和聚合物。
4.根据权利要求2所述一种柔性温度传感器，其特征在于，所述离子液体由有机阳离子和无机阴离子任意搭配组成。
5.根据权利要求3所述一种柔性温度传感器，其特征在于，所述离子液体的有机阳离子包括季胺型有机阳离子、季膦型有机阳离子、咪唑型有机阳离子、吡咯型有机阳离子、哌啶型有机阳离子和吡啶型有机阳离子中的任意一种；所述离子液体的无机阴离子包括卤素阴离子、六氟磷酸盐、四氟硼酸盐中的任意一种。
6.根据权利要求2所述一种柔性温度传感器，其特征在于，所述聚合物为包括聚合单体和高分子聚合物中的任意一种或两种；所述聚合单体包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯及甲基丙烯酸乙酯中的任意一种或几种；所述高分子聚合物包括偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物，聚乙烯醇，聚乙二醇，聚丙烯睛中的任意一种。
7.根据权利要求1所述一种柔性温度传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极为沉积在柔性基底上的金属薄膜、印刷在柔性基底表面的导电材料，或金属纸中的任意一种。
8.根据权利要求7所述一种柔性温度传感器，其特征在于，所述导电材料包括金属导电材料、导电聚合物、碳基导电材料中的任意一种。
9.根据权利要求1所述一种柔性温度传感器，其特征在于，所述离子凝胶层的制备方法包括光聚合、热聚合、化学催化聚合中的任意一种。
10.一种权利要求1至9任一项所述柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在同一个柔性基底表面制备第一电极和第二电极，或在两个不同的柔性基底表面分别制备第一电极和第二电极；
S2，将离子液体和聚合物进行聚合制备离子凝胶层；
S3，将制备好的离子凝胶层贴合在同一个柔性基底表面的第一电极和第二电极上，形成平面型的柔性温度传感器；
或，将两个不同柔性基底表面的第一电极和第二电极分别固定在制备好的离子凝胶层的上下表面，形成“三明治”型的柔性温度传感器。
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