CN114858316B - 一种动静全程敏感式人机界面传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种动静全程敏感式人机界面传感器及制备方法。该传感器为单电极结构，由底电极和其上的纳米复合薄膜构成。其中，纳米复合薄膜是压电陶瓷和聚合物的复合物，在聚合物固化过程中借助外接的摩擦纳米发电机施加交变电场，将压电陶瓷纳米颗粒沿着聚合物薄膜厚度方向进行定向排布，首尾相接组成纳米棒，使聚合物基复合薄膜具有特定取向，从而在陶瓷填料的体积分数相同的情况下，同时提升复合薄膜的介电常数ε33与压电系数d33。介电常数ε33的增加将提升隔空感应时的接近觉探测灵敏度，压电系数d33的增加将提升按压时的压力探测灵敏度。本发明简单易行，充分利用了界面处动态和准静态运动能量，增加了探测维度。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料领域、微纳能源领域，涉及成膜技术，具体涉及一种动静全程敏感式人机界面传感器及制备方法。
背景技术
触摸是目前应用最为广泛、最符合直觉的人机交互方式之一。触摸传感器不仅可以集成在手机、数位板等具有图形界面的电子产品，还能用于门锁、触控开关等无屏幕的设备。但目前的触摸传感器大都依赖外电源，需要额外设计供电电路，不仅使器件结构臃肿，而且增加设计成本。
压电-摩擦电纳米发电机的发明，推动了环境机械能的有效收集。由于其具有轻便、灵活、选材范围广等特点，可收集来自人体、自然环境中低频且不规律的机械能，为小型电子器件提供能量，使其在触屏技术、电子皮肤、医疗保健、基础设施监控、环境监测等方面都具有潜在应用价值。
应用压电-摩擦电复合薄膜设计的触摸传感器，可以利用触摸行为本身的能量实现自供能，无需外接电源。然而现有能做到识别有无触摸以及按压力度的传感器大都引入了陶瓷纳米棒。虽然掺杂纳米棒的复合薄膜性能优异，然而关于纳米棒，无论是制备工艺还是在成膜过程中的构型排列都会涉及较为复杂的工序。与之相比，利用制备工艺较为简单的陶瓷颗粒，使之排列成棒状，达到接近纳米棒的效果在实际生产中更有吸引力。
压电-摩擦电纳米发电机作为传感器，其应用很大程度上取决于其输出性能。对于压电效应，表面电荷密度与压电系数成正比；对于摩擦电效应，功率密度与表面摩擦电荷密度呈二次方关系。因此人们努力通过材料选择和结构优化等方式提高电荷密度，从而扩展压电-摩擦电纳米发电机的应用领域。现有的研究大多是通过调整工艺参数然后测试薄膜的性能，再调整再测试，反复调整实现性能的优化。
为了进一步提高压电-摩擦电纳米发电机的输出性能，扩展其应用范围，有必要在微观层面对压电-摩擦电材料的结构进行改进。在微观层面设计压电-摩擦电材料结构的方法操作简单、成本低廉、实用性高，改善了压电-摩擦纳米发电机的应用前景，扩大了应用范围，为压电-摩擦电纳米发电机的优化提供了一个新的研究方向。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种动静全程敏感式人机界面传感器及制备方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种动静全程敏感式人机界面传感器，传感器包括底部透明电极，该电极通过导线直接接地，底部透明电极的上表面设有纳米复合薄膜，底部透明电极与纳米复合薄膜整体用透明柔性绝缘封装材料封装；
薄膜传感器底电极上表面的纳米复合薄膜是压电陶瓷和聚合物的复合物，在其固化过程中借助外接摩擦纳米发电机施加的交变电场，将压电陶瓷纳米颗粒沿着聚合物薄膜厚度方向进行定向排布，首尾相接组成纳米棒，使聚合物基复合薄膜具有特定取向，从而在陶瓷填料的体积分数不变的情况下，同时提升复合薄膜的介电常数ε33与压电系数d33，介电常数ε33的增加将提升隔空感应时的接近觉探测灵敏度，压电系数d33的增加将提升按压时的压力探测灵敏度；
器件工作时，手指作为上电极，人体与底电极通过大地连通，构成回路，纳米复合薄膜带正电或者负电，手指与底电极感生出与薄膜电性相反的电荷，在手指靠近和远离聚合物薄膜的过程中，感生的自由电荷通过大地在人体和底电极之间来回流动；手指在未接触器件时，进行摩擦电式探测，此为动态感应；手指接触器件后，挤压薄膜发生轻微形变的过程中，进行压电式按压探测，此为准静态感应。
作为优选方式，将纳米颗粒压电材料填充散布到聚合物薄膜中，在其还未完全固化前，通过外接摩擦纳米发电机输出60-2200V、10-500Hz的交流电，在20℃-30℃的环境静置12h-24h，使得纳米颗粒沿电场线方向首尾相接排列成纳米棒，以增加应力传导效率以及薄膜的透明度。
作为优选方式，复合薄膜压电极性方向与其摩擦电极性方向一致，使输出信号在外电路中正向叠加，实现对接触与挤压两个维度的信号探测。
作为优选方式，压电陶瓷纳米颗粒排列为沿薄膜厚度方向的纳米棒结构，纳米颗粒压电材料占聚合物薄膜的体积分数为3％-20％，纳米颗粒直径范围为0.1-1μm，其排列形成的纳米棒长度范围为1-100μm。
作为优选方式，压电陶瓷纳米颗粒的材料为钛酸钡BTO、锆钛酸铅PZT、铌酸盐系、铌镁酸铅-钛酸铅PMN-PT中的任意一种。
作为优选方式，聚合物薄膜材料选自聚偏氟乙烯PVDF，聚偏氟乙烯-共三氟乙烯P(VDF-TrFE),聚偏氟乙烯-共六氟丙烯P(VDF-HFP)，聚二甲基硅氧烷PDMS，3-己基噻吩聚合物P3HT，聚四氟乙烯PTFE，聚苯胺，聚吡咯，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET聚合物材料其中一种。
作为优选方式，底电极的材料为氧化铟锡ITO透明导电材料。
本发明还提供一种所述动静全程敏感式人机界面传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备钛酸钡纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷和其固化剂并将它们按质量比1:10:1混合均匀得到混合物；
(2)将配好的混合物放在氧化铟锡ITO玻璃上，抽真空，在真空环境下除去混合物中溶解的空气；
(3)把另一块氧化铟锡ITO玻璃压在上面，抽第二次真空，两玻璃板间隔100μm-200μm；
(4)从氧化铟锡ITO玻璃表面引出导线，用银浆粘连氧化铟锡ITO与导线末端，并连接到摩擦纳米发电机；
(5)用摩擦纳米发电机输出110V-220V、30-50Hz的交流电压，在20℃-30℃静置12h-24h，等待聚二甲基硅氧烷完全固化；
(6)断开电源，将两片氧化铟锡ITO玻璃分开，取出夹在中间的压电复合薄膜；
(7)使用油浴极化装置，将复合薄膜在100℃，1000V直流高压下极化1h，使压电陶瓷颗粒被极化，得到纳米复合薄膜；
(8)使用所述纳米复合薄膜组装成动静全程敏感式人机界面传感器。
作为优选方式，步骤(8)进一步包括如下步骤：
(8.1)裁剪面积2cm×2cm的透明氧化铟锡ITO薄膜电极作为底电极；
(8.2)从带有ITO的一面引出导线，用以接地；
(8.3)取同时提升压电和摩擦电灵敏度的所述纳米复合薄膜置于底电极上；
(8.4)将整体置于硅胶模具中，并灌入透明柔性环氧树脂，在20-70℃下，静置2-10小时等待环氧树脂固化，导线不封装到树脂内部。
本发明提供的纳米复合薄膜在按压、旋转、滑动、隔空式、单电极、双电极纳米发电机中均具有提升输出性能的功能。
本发明的工作原理如下：
陶瓷纳米颗粒的介电常数比聚合物基底大2-3个数量级，因此在外加电场的作用下，陶瓷颗粒受到的介电泳力的作用比聚合物基底大很多，使其得到对齐排列。
通过在聚合物薄膜中引入陶瓷纳米颗粒，可以有效增强薄膜的压电系数和介电常数，提高纳米复合薄膜的压电和摩擦电输出性能。
对于压电效应，表面电荷密度与压电系数成正比，如公式(1)所示：
Q＝d33×F (1)
其中，Q为薄膜表面的感应电荷量；d33为压电薄膜的压电系数；F为垂直于薄膜表面的作用力。从公式(1)可以看出，其他条件一定，当压电系数d33升高时，压电输出电荷量增加。从图4可以看出，电场序构之后，在相同的条件下，复合薄膜压电电势和压电电场都得到了提升。
对于摩擦电输出，聚合物薄膜间的输出电压如公式(2)所示：
其中，Q是感应电位驱动的两个电极之间转移的电荷量，S是有效面积，ε0是真空介电常数,σ是聚合物薄膜表面电荷密度。x是极板分离距离，它是时间t的函数。
d0是有效介电厚度，定义为两个金属电极之间的所有介电厚度di除以其相对有效厚度εri的总和，如下所示：
从公式(3)可以看出，其他条件一定，在电场序构后，复合薄膜的介电常数εr升高时，其摩擦电输出电压V得到增强。
综上所述，在陶瓷颗粒定向序构后，复合薄膜的压电(d33)与摩擦电(ε33)输出性能都将得到极大的提高(图5)。
本发明的有益效果为：本发明给出了一种同时提升压电-摩擦电复合型敏感薄膜灵敏度的方法，该方法操作简单，实用性高，成本低廉，可加工性强，可靠性高，为压电-摩擦纳米发电机的优化提供了一个新的发展方向。在以往的摩擦纳米发电机的优化工作相比，本发明从微观层面改善了压电-摩擦层材料微观结构，通过加入垂直薄膜表面排列的陶瓷纳米颗粒结构，提高了聚合物薄膜的压电系数与介电常数，使压电-摩擦纳米发电机的输出性能得到进一步提升。本发明给出的微观设计方法操作简单、成本低廉、实用性高、可加工性强、可靠性高，改善了压电-摩擦纳米发电机的应用前景，扩大了应用范围，为压电-摩擦电纳米发电机的优化提供了一个新的研究方向。
附图说明
图1为本发明组装的动静全程敏感式人机界面传感器的示意图；
图2为本发明组装出的传感器两种工作模式的示意图；摩擦电式接近觉感应(上半)；压电式按压感应(下半)。
图3为本发明复合薄膜中陶瓷颗粒在电场下对齐排列的示意图；
图4为本发明的复合薄膜内部微观结构示意图，以及在1N压力下不同聚合程度材料的应力应变、压电电场、压电电势的可视化；
图5为复合薄膜压电系数、介电常数、刚度系数的相场模拟结果：(a)为压电系数d33、介电常数ε33的相场模拟结果；(b)为刚度系数c11、c33的相场模拟结果；
图1中，1为底部透明电极；2为纳米复合薄膜；2.1为纳米颗粒压电材料；2.2为聚合物基质；3为透明柔性绝缘封装材料。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例提供一种动静全程敏感式人机界面传感器，传感器包括底部透明电极1，该电极通过导线直接接地，底部透明电极1的上表面设有纳米复合薄膜2，底部透明电极1与纳米复合薄膜2整体用透明柔性绝缘封装材料3封装；具体的透明柔性绝缘封装材料3为柔性环氧树脂；
薄膜传感器底电极上表面的纳米复合薄膜是压电陶瓷和聚合物的复合物，在其固化过程中借助外接摩擦纳米发电机施加的交变电场，将压电陶瓷纳米颗粒沿着聚合物薄膜厚度方向进行定向排布，首尾相接组成纳米棒，使聚合物基复合薄膜具有特定取向，从而在陶瓷填料的体积分数不变的情况下，同时提升复合薄膜的介电常数ε33与压电系数d33，介电常数ε33的增加将提升隔空感应时的接近觉探测灵敏度，压电系数d33的增加将提升按压时的压力探测灵敏度；此外，薄膜中陶瓷定向排列可以有效提高薄膜的透明度，增加器件的应用场景。
器件工作时，手指作为上电极，人体与底电极通过大地连通，构成回路，纳米复合薄膜带正电或者负电，手指与底电极感生出与薄膜电性相反的电荷，在手指靠近和远离聚合物薄膜的过程中，感生的自由电荷通过大地在人体和底电极之间来回流动；手指在未接触器件时，进行摩擦电式探测，此为动态感应；手指接触器件后，挤压薄膜发生轻微形变的过程中，进行压电式按压探测，此为准静态感应。
具体的，将纳米颗粒压电材料填充散布到聚合物薄膜中，在其还未完全固化前，通过外接摩擦纳米发电机输出60-2200V、10-500Hz的交流电，在20℃-30℃的环境静置12h-24h，使得纳米颗粒沿电场线方向首尾相接排列成纳米棒，以增加应力传导效率以及薄膜的透明度。
具体的，复合薄膜压电极性方向与其摩擦电极性方向一致，使输出信号在外电路中正向叠加，实现对接触与挤压两个维度的信号探测。
具体的，压电陶瓷纳米颗粒排列为沿薄膜厚度方向的纳米棒结构，纳米颗粒压电材料占聚合物薄膜的体积分数为3％-20％，纳米颗粒直径范围为0.1-1μm，其排列形成的纳米棒长度范围为1-100μm。
具体的，压电陶瓷纳米颗粒的材料为钛酸钡BTO、锆钛酸铅PZT、铌酸盐系、铌镁酸铅-钛酸铅PMN-PT中的任意一种。
具体的，聚合物薄膜材料选自聚偏氟乙烯PVDF，聚偏氟乙烯-共三氟乙烯P(VDF-TrFE),聚偏氟乙烯-共六氟丙烯P(VDF-HFP)，聚二甲基硅氧烷PDMS，3-己基噻吩聚合物P3HT，聚四氟乙烯PTFE，聚苯胺，聚吡咯，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET聚合物材料其中一种。
具体的，底电极的材料为氧化铟锡ITO透明导电材料。
实施例2
本实施例提供一种所述动静全程敏感式人机界面传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备钛酸钡纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷和其固化剂并将它们按质量比1:10:1混合均匀得到混合物；
(2)将配好的混合物放在氧化铟锡ITO玻璃上，抽真空，在真空环境下除去混合物中溶解的空气；
(3)把另一块氧化铟锡ITO玻璃压在上面，抽第二次真空，两玻璃板间隔100μm-200μm；
(4)从氧化铟锡ITO玻璃表面引出导线，用银浆粘连氧化铟锡ITO与导线末端，并连接到摩擦纳米发电机；
(5)用摩擦纳米发电机输出110V-220V、30-50Hz的交流电压，在20℃-30℃静置12h-24h，等待聚二甲基硅氧烷完全固化；
(6)断开电源，将两片氧化铟锡ITO玻璃分开，取出夹在中间的压电复合薄膜；
(7)使用油浴极化装置，将复合薄膜在100℃，1000V直流高压下极化1h，使压电陶瓷颗粒被极化，得到纳米复合薄膜；
(8)使用所述纳米复合薄膜组装成动静全程敏感式人机界面传感器。
实施例3
本实施例提供一种所述动静全程敏感式人机界面传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备钛酸钡纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷和其固化剂并将它们按质量比1:10:1混合均匀得到混合物；
(2)将配好的混合物放在氧化铟锡ITO玻璃上，抽真空，在真空环境下除去混合物中溶解的空气；
(3)把另一块氧化铟锡ITO玻璃压在上面，抽第二次真空，两玻璃板间隔100μm-200μm；
(4)从氧化铟锡ITO玻璃表面引出导线，用银浆粘连氧化铟锡ITO与导线末端，并连接到摩擦纳米发电机；
(5)用摩擦纳米发电机输出110V-220V、30-50Hz的交流电压，在20℃-30℃静置12h-24h，等待聚二甲基硅氧烷完全固化；
(6)断开电源，将两片氧化铟锡ITO玻璃分开，取出夹在中间的压电复合薄膜；
(7)使用油浴极化装置，将复合薄膜在100℃，1000V直流高压下极化1h，使压电陶瓷颗粒被极化，得到纳米复合薄膜；
(8)使用所述纳米复合薄膜组装成动静全程敏感式人机界面传感器。
步骤(8)进一步包括如下步骤：
(8.1)裁剪面积2cm×2cm的透明氧化铟锡ITO薄膜电极作为底电极；
(8.2)从带有ITO的一面引出导线，用以接地；
(8.3)取同时提升压电和摩擦电灵敏度的所述纳米复合薄膜置于底电极上；
(8.4)将整体置于硅胶模具中，并灌入透明柔性环氧树脂，在20-70℃下，静置2-10小时等待环氧树脂固化(温度越高，需要时间越短)，导线不封装到树脂内部。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵。
Claims (9)
1.一种动静全程敏感式人机界面传感器，其特征在于：传感器包括底部透明电极(1)，该电极通过导线直接接地，底部透明电极(1)的上表面设有纳米复合薄膜(2)，底部透明电极(1)与纳米复合薄膜(2)整体用透明柔性绝缘封装材料(3)封装；
器件工作时，手指作为上电极，人体与底电极通过大地连通，构成回路，纳米复合薄膜带正电或者负电，手指与底电极感生出与薄膜电性相反的电荷，在手指靠近和远离聚合物薄膜的过程中，感生的自由电荷通过大地在人体和底电极之间来回流动；手指在未接触器件时，进行摩擦电式探测，此为动态感应；手指接触器件后，挤压薄膜发生轻微形变的过程中，进行压电式按压探测，此为准静态感应；
薄膜传感器底电极上表面的纳米复合薄膜是压电陶瓷和聚合物的复合物，在其固化过程中借助外接摩擦纳米发电机施加的交变电场，将压电陶瓷纳米颗粒沿着聚合物薄膜厚度方向进行定向排布，首尾相接组成纳米棒，使聚合物基复合薄膜具有特定取向，从而在陶瓷填料的体积分数不变的情况下，同时提升复合薄膜的介电常数ε33与压电系数d33，介电常数ε33的增加将提升隔空感应时的接近觉探测灵敏度，压电系数d33的增加将提升按压时的压力探测灵敏度。
2.根据权利要求1所述的一种动静全程敏感式人机界面传感器，其特征在于：将纳米颗粒压电材料填充散布到聚合物薄膜中，在其还未完全固化前，通过外接摩擦纳米发电机输出60-2200V、10-500Hz的交流电，在20℃-30℃的环境静置12h-24h，使得纳米颗粒沿电场线方向首尾相接排列成纳米棒，以增加应力传导效率以及薄膜的透明度。
3.根据权利要求1所述的一种动静全程敏感式人机界面传感器，其特征在于：复合薄膜压电极性方向与其摩擦电极性方向一致，使输出信号在外电路中正向叠加，实现对接触与挤压两个维度的信号探测。
4.根据权利要求1所述的一种动静全程敏感式人机界面传感器，其特征在于：压电陶瓷纳米颗粒排列为沿薄膜厚度方向的纳米棒结构，纳米颗粒压电材料占聚合物薄膜的体积分数为3％-20％，纳米颗粒直径范围为0.1-1μm，其排列形成的纳米棒长度范围为1-100μm。
5.根据权利要求1所述的一种动静全程敏感式人机界面传感器，其特征在于：压电陶瓷纳米颗粒的材料为钛酸钡BTO、锆钛酸铅PZT、铌酸盐系、铌镁酸铅-钛酸铅PMN-PT中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种动静全程敏感式人机界面传感器，其特征在于：聚合物薄膜材料选自聚偏氟乙烯PVDF，聚偏氟乙烯-共三氟乙烯P(VDF-TrFE),聚偏氟乙烯-共六氟丙烯P(VDF-HFP)，聚二甲基硅氧烷PDMS，3-己基噻吩聚合物P3HT，聚四氟乙烯PTFE，聚苯胺，聚吡咯，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET聚合物材料其中一种。
7.根据权利要求1所述的一种动静全程敏感式人机界面传感器，其特征在于：底电极的材料为氧化铟锡ITO透明导电材料。
8.权利要求1至7任意一项所述动静全程敏感式人机界面传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)准备钛酸钡纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷和其固化剂并将它们按质量比1:10:1混合均匀得到混合物；
(2)将配好的混合物放在氧化铟锡ITO玻璃上，抽真空，在真空环境下除去混合物中溶解的空气；
(3)把另一块氧化铟锡ITO玻璃压在上面，抽第二次真空，两玻璃板间隔100μm-200μm；
(4)从氧化铟锡ITO玻璃表面引出导线，用银浆粘连氧化铟锡ITO与导线末端，并连接到摩擦纳米发电机；
(5)用摩擦纳米发电机输出110V-220V、30-50Hz的交流电压，在20℃-30℃静置12h-24h，等待聚二甲基硅氧烷完全固化；
(6)断开电源，将两片氧化铟锡ITO玻璃分开，取出夹在中间的压电复合薄膜；
(7)使用油浴极化装置，将复合薄膜在100℃，1000V直流高压下极化1h，使压电陶瓷颗粒被极化，得到纳米复合薄膜；
(8)使用所述纳米复合薄膜组装成动静全程敏感式人机界面传感器。
9.根据权利要求8所述的一种动静全程敏感式人机界面传感器的制备方法，其特征在于步骤(8)进一步包括如下步骤：
(8.1)裁剪面积2cm×2cm的透明氧化铟锡ITO薄膜电极作为底电极；
(8.2)从带有ITO的一面引出导线，用以接地；
(8.3)取同时提升压电和摩擦电灵敏度的所述纳米复合薄膜置于底电极上；
(8.4)将整体置于硅胶模具中，并灌入透明柔性环氧树脂，在20-70℃下，静置2-10小时等待环氧树脂固化，导线不封装到树脂内部。
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