CN115165161A - 一种柔性触觉传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性触觉传感器，所述传感器为一体式结构，包括上电极层、下电极层以及设置在上下电极层之间的纤维电解质层，上电极层、下电极层均由包括PEDOT:PSS、金属纳米线、Co3O4微球的物质组成，将所述上电极层、下电极层直接喷涂于纤维电解质上下两面，烘干后得到传感器单元。本发明的传感器的电极与电解质是一体式结构，具有高稳定性，长期使用后电极与电解质不会分离；具有超薄可透气性，具有良好生物兼容性，可以长期与皮肤接触。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其是涉及一种柔性触觉传感器及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，可穿戴设备性能得到极大提升，柔性传感器作为可穿戴设备中重要的关键部件需要兼具高灵敏度，柔性，透气性与高稳定性。现有已报道的传感器大多数是三层或多层集成结构，使得传感器的在长期使用中具有较差的稳定性；并且现有传感器是基于实心结构，无法以不伤害人体的方式与人体皮肤长时间接触。因此迫切需要一种具有高稳定，一体式，可呼吸，高灵敏度的柔性触觉传感器。
发明内容
有鉴于此，本发明从结构设计、材料选择与工艺制备三个方面入手制备出了一种具有一体式高稳定性超薄可呼吸全纤维的柔性触觉传感器。该传感器是基于具有多孔结构可呼吸富含阴阳离子的纤维毡，在其上、下表面喷涂，涂覆或丝网印刷上富含多孔与微球结构的电极材料，使其成为传感单元。该制备工艺简单，成本低，可批量生产。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种柔性触觉传感器，所述传感器为一体式结构，包括上电极层、下电极层以及设置在上下电极层之间的纤维电解质层，将所述上电极层、下电极层直接喷涂于纤维电解质上下两面，烘干后得到传感器单元。
进一步的，所述上电极层、下电极层均由包括PEDOT:PSS、金属纳米线、Co3O4微球的物质组成。
进一步的，所述传感器的形状与尺寸可根据需求调整。
进一步的，所述传感器的厚度为20-100μm。
本发明还提出一种柔性触觉传感器阵列，所述传感器阵列包括多个传感器单元。
本发明还提出一种柔性触觉传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备纤维电解质层；
将离子液体与TPU混合后通过静电纺丝工艺获得纤维电解质；
(2)制备上下电极层；
将Co3O4,PEDOT:PSS溶液，金属纳米线加入烧杯中搅拌均匀得到电极浆料；
(3)将电极浆料均匀喷涂于纤维电解质层的上下对应的两面，烘干后得到传感器单元。
进一步的，所述Co3O4,PEDOT:PSS溶液，金属纳米线的质量比为(0.05-1):(4-6)4-6:(0.5-2)。
本发明还提出一种可穿戴设备，其特征在于：包含至少一个上述公开的柔性触觉传感器。
相对于现有技术，本发明所述的一种柔性触觉传感器具有以下优势：
(1)本发明直接将PEDOT:PSS/Ag NW(Cu NW或Au NW)/Co3O4电极浆料喷涂，涂覆或丝网印刷于具有多孔结构可呼吸富含阴阳离子的纤维毡上，使得制备的传感器件不存在电极、电解质界面处理问题，长期使用后不会出现电极与电解质脱离的现象，极大地提高了传感器的稳定性；
(2)本发明在具有赝电容效应的PEDOT:PSS溶液中加入具有高电导率的金属纳米线与大量微球结构的Co3O4，使得传感器的灵敏度，响应时间，检测范围均得到提升；
(3)本发明的电解质是将离子液体与TPU混合后通过静电纺丝工艺获得，该工艺可以保证电解质具有纵横交错的纳米纤维结构，有效提高电极与电解质之间的接触面积，从而提高了传感器的灵敏；
(4)本发明使用静电纺丝工艺制备的电解质不仅超薄而且还具有微纤维结构，使得传感器具有尼龙布料一样的透气性，使得传感器在不伤害皮肤的前提下长期与人体皮肤接触，提升传感器的寿命与监测信号的精度与稳定性；
(5)本发明的传感器的形状与尺寸可以根据需求快速调整，满足个性化需要；并且传感器在结构与性能不被破坏的前提下可以任意裁剪。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的传感器结构示意图；
图2为本发明的传感器的制备工艺示意图；
图3为本发明的传感器实物图；
图4为本发明的传感器表面与横截面电镜图；
图5为本发明的传感器性能测试结果示意图；
图6为本发明的压力传感器的工作原理；
图7为本发明的传感器横截面的电镜图；
图8为本发明的传感器稳定性测试结果示意图；
图9为本发明的传感器的应用示意图。
附图标记说明
1-6×6传感阵列；2-PEDOT:PSS骨架:3-金属纳米线；4-Co3O4微球；5-上电极层；6-富含阴阳离子的纤维电解质；7-下电极层
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供一种柔性触觉传感器，所述传感器为一体式结构，包括上电极层5、下电极层7以及设置在上下电极层之间的纤维电解质层，所述上电极层5、下电极层7均由包括PEDOT:PSS、金属纳米线3、Co3O4微球4的物质组成，其中，金属纳米线包括银、金或铜纳米线，纤维电解质层包括富含阴阳离子的纤维电解质6。本发明中多个传感器单元形成传感器阵列，可以满足不同场合的应用，如图1所示为一个6×6传感阵列1。
如图2所示，本发明的柔性触觉传感器的制备流程如下:
IL/TPU电解质层的制备：DMSO、DMF和THF按照重量为1:4.5:4.5加入烧杯中后混合，然后将TPU颗粒按照17wt.％的比例加入到上述混合溶液中，然后再将离子液体按照0-20wt.％加入上述混合溶液中，放于60-70℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2-3小时，直至所有TPU颗粒完全溶解，然后使用安装有19g针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为25-35KV电压，0.001-0.005ml/min的速度,纺丝10-20小时后获得IL/TPU纤维电解质；
PEDOT:PSS/Ag NW/Co3O4电极浆料的制备：Co3O4,PEDOT:PSS溶液，Ag NWs按照0.05-1:4-6:0.5-2的质量比加入烧杯中，然后室温下搅拌1-2小时，直至搅拌均匀，然后放入喷枪中，在100-300Pa的气压下均匀喷涂于电解质的上下对应的两面。
在室温下干燥电极浆料0.1-1小时，获得传感器单元。
本发明的传感器的实物图如图3所示，一体式传感器具有良好柔性，可拉伸；可扭曲；可包覆于手指，很好地与手指贴合。
如图4所示为传感器表面与横截面电镜图。(a)-(c)传感器表面电镜图可以看到Co3O4微球4与银纳米线3均匀分布于PEDOT:PSS骨架2中，使得传感器电极具有良好导电性的同时可以透气；(d)-(f)传感器的横截面图，可以看到上下两个电极层与中间纤维电解质层紧密结合，形成了一体化结构。
对本发明的传感器进行性能测试，如图5所示，为本发明的传感器的性能测试图，制备的一体式传感器具有良好的稳定性，喷涂于纤维电解质表面的电极浆料和其牢固结合，在分别经过500次折叠和扭曲后，电阻基本不变(图5a)；传感器具有超高灵敏度：0-6kPa时为79.5kPa-1，8-38kPa时为9.34kPa-1(图5b)；在1kPa的压强下响应式加为40ms(图5c)；加入的Co3O4从赝电容效应与微纳结构两个方面提高了传感器的灵敏，电极中加入Co3O4后灵敏度提高了接近1倍(图5d)；传感器具有良好阶梯响应(图5e)；纤维结构使得传感器具有和尼龙相似的透气性，可以保证人体长期佩戴的舒适性(图5f)；传感器具有良好的稳定性，在对其压缩10000个循环后，曲线基本无漂移(图5g)。
在一个具体的实施例中，本发明的压力传感器的工作原理如图6所示。上下电极层与IL/TPU纤维电解质层组成传感器，当有压力施加于传感器上时，传感器的电极层与纤维电解质层均会在压力的作用下发生变形，从而导致电解质层与电极的接触面积变大，距离减小，引起电容的增加；当压力消失时，上、下电极电解质层又会恢复原状，电容也会恢复原值。电容的变化可以转变为电信号传输给后续处理电路，从而监测到力的大小。
电极与纤维电解质层形成电极或电解质界面，当电极层与电解质层的两面接触时，在外界电源的作用下，电极的内部表面电荷会从电解质中吸附离子，这些离子在电极或电解质界面的电解质一侧形成一个电荷数量与电极内表面荷电电荷数量相等，且符号与其相反的界面层，由于电极或电解质界面上存在着电位差，使得两层电荷都不能越界而彼此中和，因此形成结构稳定的赝电容。
如图7所示为本发明的传感器横截面的电镜图，本发明的传感器具有超薄特性，厚度约为40μm，可以很好地与人体皮肤进行贴合。
本发明的一体式传感器与多层传感器相比较具有良好的稳定性，在将其放于脚步进行5000s的步行后，一体式传感器的电极与电解质之间没有出现间隙与裂缝，而多层式传感器界面出现了裂缝，并且性能曲线明显下降，如图8所示。
本发明制备的传感器具有良好的灵敏度，可以很好地用于腕部脉搏监测(图9a)；发声(图9b)；喉结移动(图9c)；吹气(图9d)；手指轻触(图9e)；屈指(图9f)。
本发明还通过对IL/TPU电解质中IL的量不同(0wt.％，5wt.％，10wt.％，15wt.％，20wt.％)，获得不同灵敏度的传感器，如表1所示。
表1
| IL(wt％) | 灵敏度S<sub>1</sub>(kPa<sup>-1</sup>) | 压力范围(kPa) | 灵敏度S<sub>2</sub>(kPa<sup>-1</sup>) | 压力范围(kPa) |
| 0 | 4.18 | 0-4 | 0.85 | 5-38 |
| 5 | 15.22 | 0-4 | 1.11 | 5.4-38 |
| 10 | 25.96 | 0-4.2 | 3.67 | 6-38 |
| 15 | 52.47 | 0-5.8 | 7.96 | 10-38 |
| 20 | 79.5 | 0-6 | 9.4 | 8-38 |
本发明的传感器的电极与电解质是一体式结构，具有高稳定性，长期使用后电极与电解质不会分离；具有超薄可透气性，具有良好生物兼容性，可以长期与皮肤接触。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种柔性触觉传感器，其特征在于：所述传感器为一体式结构，包括上电极层、下电极层以及设置在上下电极层之间的纤维电解质层，将所述上电极层、下电极层直接喷涂于纤维电解质上下两面，烘干后得到传感器单元。
2.根据权利要求1所述的一种柔性触觉传感器，其特征在于：所述上电极层、下电极层均由包括PEDOT:PSS、金属纳米线、Co3O4微球的物质组成。
3.根据权利要求1所述的一种柔性触觉传感器，其特征在于：所述传感器的形状与尺寸可根据需求调整。
4.根据权利要求1所述的一种柔性触觉传感器，其特征在于：所述传感器的厚度为20-100μm。
5.一种柔性触觉传感器阵列，其特征在于：所述传感器阵列包括多个传感器单元。
6.一种柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备纤维电解质层；
将离子液体与TPU混合后通过静电纺丝工艺获得纤维电解质；
(2)制备上下电极层；
将Co3O4,PEDOT:PSS溶液，金属纳米线加入烧杯中搅拌均匀得到电极浆料；
(3)将电极浆料均匀喷涂于纤维电解质层的上下对应的两面，烘干后得到传感器单元。
7.根据权利要求6所述的一种柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于：所述Co3O4,PEDOT:PSS溶液，金属纳米线的质量比为(0.05-1):(4-6)4-6:(0.5-2)。
8.一种可穿戴设备，其特征在于：包含至少一个权利要求1-4任一项所述的柔性触觉传感器。
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| Title |
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| ZHANRUI HOU等: "Nanostructured Co3O4 Asymmetrically Deposited on a Single Carbon Cloth for an All-Solid-State Integrated Hybrid Device with Reversible Zinc-Air High-Energy Conversion and Asymmetric Supercapacitive High-Power Delivery", no. 35, 16 July 2021 (2021-07-16), pages 12706 - 12717 * |
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