CN115265858A - 一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器 - Google Patents
一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115265858A CN115265858A CN202210718526.8A CN202210718526A CN115265858A CN 115265858 A CN115265858 A CN 115265858A CN 202210718526 A CN202210718526 A CN 202210718526A CN 115265858 A CN115265858 A CN 115265858A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hydrophobic
- super
- paper
- groove
- conductive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 title claims abstract description 164
- 230000006870 function Effects 0.000 title claims abstract description 52
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 title claims description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 53
- 230000008447 perception Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 41
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 28
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 26
- 239000003190 viscoelastic substance Substances 0.000 claims description 19
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 17
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 14
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims description 14
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 14
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 13
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 12
- 239000011236 particulate material Substances 0.000 claims description 12
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 11
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 11
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 10
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 8
- FFUAGWLWBBFQJT-UHFFFAOYSA-N hexamethyldisilazane Chemical compound C[Si](C)(C)N[Si](C)(C)C FFUAGWLWBBFQJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims description 8
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 8
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 7
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 6
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims description 5
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 claims description 5
- 238000010147 laser engraving Methods 0.000 claims description 4
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims description 3
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 claims description 3
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 3
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 claims description 3
- 150000003961 organosilicon compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 3
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 3
- 239000005060 rubber Substances 0.000 claims description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 3
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 3
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 claims description 3
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 2
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 claims 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 19
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 12
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 90
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- -1 Polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002042 Silver nanowire Substances 0.000 description 1
- 238000003916 acid precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000002655 kraft paper Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 1
- 229920006255 plastic film Polymers 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000011540 sensing material Substances 0.000 description 1
- 150000003377 silicon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000009751 slip forming Methods 0.000 description 1
- 239000000344 soap Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 210000004243 sweat Anatomy 0.000 description 1
- 229920002725 thermoplastic elastomer Polymers 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
- G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
- G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，包括：纸基底，纸基底上设置有沟槽；超疏水导电层，设置于沟槽的内壁及边缘；超疏水绝缘层，设置于纸基底上超疏水导电层之外的区域；其中，超疏水导电层上形成岛‑桥微结构，岛‑桥微结构中的桥包括：第一桥体和第二桥体，第一桥体和第二桥体分别位于沟槽两侧的内壁上。由于超疏水导电层和超疏水绝缘层连接并铺满整个纸基底，隔绝了水，使得水无法进入到纸基底内，又由于纸基底上形成沟槽，且超疏水导电层设置于沟槽的内壁及边缘，当纸基底受压或应变而发生形变时，沟槽的间距会发生变化，从而导致超疏水导电层的电阻发生变化，实现压力与应变感知功能。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及的是一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器。
背景技术
随着柔性电子产品在人类健康监测、软机器人、电子皮肤等方面表现出的巨大应用潜力和人们对智能物联网和可穿戴电子产品的需求不断增长，使得柔性传感器件的发展越来越受到重视。近年来，电阻式、电容式、压电式等各种工作原理的柔性传感器相继问世，其中实现传感器的多功能是主要的发展趋势之一。例如，研究人员倾向于将更多的功能集成到一个柔性传感器中，使其能够检测多种机械刺激，从而拓宽传感器的实际应用范围。这是由于实际工况中，往往充斥着多种机械量信号(如应变、湿度、温度和压力等信号)，仅能够检测单一机械信号的传感器具有明显的使用局限性。其中，应变和压力信号是机械装备领域中最为常见的两类物理量信号，在工程实际中亟需能够感知这两类信号的柔性传感器。与此同时，在传感器的实际应用中，既要考虑传感器的传感性能与功能，还得考虑其环境适应性。当柔性传感器在环境湿度变化的工况中使用时，防水、耐腐蚀(如人体汗液、肥皂水和酸雨)和自清洁则成了传感器不可或缺的功能特性。
此外，当今大多数电子设备通常都是由不可再生、不可降解，或有毒性的材料制成的，这些材料一旦被丢弃或报废，将对环境造成严重的污染。例如目前大多数关于柔性传感器的报道中，大量的高分子聚合物如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性弹性体(TPU，PU等)、塑料薄膜(PET，PI等)等都被用于传感器的制备中，这些材料很难回收或降解。因此，可再生、可生物降解、无毒材料组成的柔性传感器是最理想的，符合电子期间可持续发展方向。在自然界中，植物纤维是可再生的绿色环保原材料，其制成的纸张具有可再生性、生物降解性和低成本等优点，是制造环保绿色柔性电子产品的理想基材。但纸材料遇湿容易吸水膨胀甚至溶解，极度影响传感器的正常使用。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，旨在解决现有技术中纸基柔性传感器件遇湿无法正常使用的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，其中，包括：
纸基底，所述纸基底上设置有沟槽；
超疏水导电层，设置于所述沟槽的内壁及边缘；
超疏水绝缘层，设置于所述纸基底上所述超疏水导电层之外的区域；
其中，所述超疏水绝缘层与所述超疏水导电层的边缘连接以铺满整个所述纸基底；
所述超疏水导电层上形成岛-桥微结构，所述岛-桥微结构中的桥包括：
第一桥体和第二桥体，所述第一桥体和所述第二桥体分别位于所述沟槽两侧的内壁上。
所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，其中，所述沟槽为多环状沟槽；所述多环状沟槽包括：
第一电极部和第二电极部；
若干个开口环部；
其中，各所述开口环部同心设置；
各所述开口环部依次连接形成单线槽结构，所述单线槽结构的两端分别连接第一电极部和第二电极部。
所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，其中，所述具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器还包括：支撑层，围绕设置在纸基底外；
所述超疏水导电层包括：
相互连接的第一导电部和第二导电部；所述第一导电部和所述第二导电部分别位于所述沟槽的两侧的内壁上；
所述第一导电部和所述第二导电部之间具有间隙，所述间隙的宽度为微米级；
所述沟槽的深度和宽度为微米级，所述沟槽的深度大于所述沟槽的宽度且小于或等于所述纸基底的厚度的一半。
所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，其中，所述纸基底选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种，和/或
所述超疏水导电层包括：导电功能材料、疏水性颗粒材料以及粘弹性材料；所述超疏水绝缘层包括：疏水性颗粒材料以及粘弹性材料。
所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，其中，所述导电功能材料包括：金属纳米材料、碳系纳米材料、金属碳/氮化物材料中的至少一种；
所述疏水性颗粒材料包括：疏水性SiO2颗粒、疏水性ZnO颗粒中的至少一种；
所述粘弹性材料包括：橡胶、热塑/固性弹性体、环氧树脂、高分子有机硅化合物、水凝胶中的至少一种。
一种如上任意一项具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法，其中，包括步骤：
提供纸基底、第一掩膜版、第二掩膜版、超疏水导电材料以及超疏水绝缘材料；其中，所述超疏水导电材料包括：导电功能材料、疏水性颗粒材料、粘弹性材料以及溶剂；
在所述纸基底上形成沟槽；
通过所述第一掩膜版覆盖所述纸基底上沟槽以外的区域，将所述超疏水导电材料喷涂在所述沟槽内，并干燥形成超疏水导电层后去除所述第一掩膜版；
通过所述第二掩膜版覆盖所述纸基底上超疏水导电层的区域，将所述超疏水绝缘材料形成在所述纸基底上后去除所述第二掩膜版，得到具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器。
所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法，其中，所述导电功能材料采用碳纳米管，所述疏水性颗粒材料采用直径150～250nm的疏水性SiO2粒子，所述碳纳米管与所述疏水性SiO2粒子的质量比为1:0.5～1:2；
所述粘弹性材料包括：PDMS主剂和PDMS固化剂，所述PDMS主剂和所述PDMS固化剂的质量比为1:0.05～1:0.2；
所述溶剂包括：六甲基二硅胺烷和乙酸乙酯。
所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法，其中，在所述纸基底上形成沟槽的方法包括：表面AFM微纳加工、机械切割、激光雕刻、模具压印成型中的至少一种；
将所述超疏水绝缘材料形成在所述纸基底上的方法包括：喷涂法、浸泡法或旋涂法中的一种。
所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法，其中，所述具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器还包括：支撑层，围绕设置在纸基底外；所述制备方法还包括：
采用3D打印法制备支撑层，并粘贴在具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器外。
所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法，其中，所述第一掩膜版和所述第二掩膜版通过激光切割或切削的方式形成。
有益效果：由于超疏水导电层和超疏水绝缘层连接并铺满整个纸基底，隔绝了水，使得水无法进入到纸基底内，又由于纸基底上形成沟槽，且超疏水导电层设置于沟槽的内壁及边缘，当纸基底受压或应变而发生形变时，沟槽的间距会发生变化，从而导致超疏水导电层的电阻发生变化，实现压力与应变感知功能。
附图说明
图1为本发明的一种具有压力与应变双重机械量信号感知功能的超疏水柔性纸基传感器爆炸图。
图2为本发明柔性传感器所需的掩膜版图案(其中，a为模版材料，b为模版材料上的图案，c为第一模版，d为第二模版)。
图3为柔性传感器表面的岛-桥微结构的光学形貌图(其中，a和c为两处岛-桥微结构，b为a的放大图，d为c的放大图)。
图4为柔性传感器表面的沟槽位置的扫描电子显微形貌图(a为柔性传感器表面的沟槽图，b为a的放大图)。
图5为本发明的柔性传感器表面超疏水导电层、超疏水绝缘层的润湿特性照片(其中，a和d为测试位置的照片，b和c分别为超疏水绝缘层的接触角和滚动角的照片，e和f分别为超疏水导电层的接触角和滚动角的照片，g～k为超疏水绝缘层的水滴弹跳时间内的连续照片，l～p为超疏水导电层的水滴弹跳时间内的连续照片)。
图6为本发明的柔性传感器应变感知灵敏度测试结果图。
图7为本发明的柔性传感器压力感知灵敏度测试结果图。
图8为本发明的柔性传感器进水与出水时的电阻变化情况图。
附图标记说明：
1、纸基底；2、沟槽；3、超疏水导电层；4、超疏水绝缘层；5、电极；6、电极引线；7、支撑层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1-图8，本发明提供了一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的一些实施例。
如图1所示，本发明的一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，包括：
纸基底1，所述纸基底1上设置有沟槽2；
超疏水导电层3，设置于所述沟槽2的内壁；
超疏水绝缘层4，设置于所述纸基底1上所述超疏水导电层3之外的位置；
其中，所述超疏水绝缘层4与所述超疏水导电层3的边缘连接以铺满整个所述纸基底1；
所述超疏水导电层3上形成岛-桥微结构，所述岛-桥微结构中的桥包括：
第一桥体和第二桥体，所述第一桥体和所述第二桥体分别位于所述沟槽2两侧的内壁上。
值得说明的是，纸优选为下列之一：牛皮纸、相片纸等印刷、包装、办公/文化用纸等中的一种。其中纸的一面粗糙度不可太大，太大不易于沟槽2结构的形成，另一面则无特殊要求。同时纸张的柔韧性要好，具有一定的机械强度，受力后能够易于回复，不易起皱、折痕。
沟槽2的制备方法可通过减材制造方式实现，如表面AFM微纳加工、机械切割、激光雕刻等工艺方法，或在压力、一定温度下使用模具压印成型的方式实现。
由于超疏水导电层3和超疏水绝缘层4连接并铺满整个纸基底1，隔绝了水，使得水无法进入到纸基底1内，又由于纸基底1上形成沟槽2，且超疏水导电层3设置于沟槽2的内壁及边缘，当纸基底1受压或应变而发生形变时，沟槽2的间距会发生变化，从而导致超疏水导电层3的电阻发生变化，实现压力与应变感知功能。
需要强调的是，如图3所示，由于超疏水导电层3对应沟槽2位置形成岛-桥微结构，以沟槽2外部两侧的超疏水导电层3为岛，在沟槽2的内壁上延伸形成第一桥体和第二桥体，第一桥体和第二桥体的间距小于沟槽2的宽度，第一桥体前端与第二桥体前端在形状上相匹配，形成完整的桥。当沟槽2的宽度因形变而变大时，沟槽2内壁两侧的超疏水导电层3相分离，超疏水导电层3的电阻增大，沟槽2的宽度继续变大时，第一桥体前端和第二桥体前端相分离，则超疏水导电层3的电阻继续增大；当沟槽2的宽度因形变而变小时，第一桥体前端和第二桥体前端相接触，则超疏水导电层3的电阻减小，沟槽2的宽度继续变小时，沟槽2内壁两侧的超疏水导电层3相接触，则超疏水导电层3的电阻继续减小。
超疏水导电层3的电阻增大时，会有两个阶段，一个是以桥的分离为主的阶段，另一个是以内壁的分离为主的阶段，两个阶段的灵敏度相差较大。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1所示，所述沟槽2为多环状沟槽；所述多环状沟槽包括：
第一电极部和第二电极部；
若干个开口环部；
其中，各所述开口环部同心设置；
各所述开口环部依次连接形成单线槽结构，所述单线槽结构的两端分别连接第一电极部和第二电极部。
具体地，为了适应不同方向的压力和应变检测，沟槽2采用多环状沟槽，则可以形成多环状的超疏水导电层3。单线槽结构是指只有单一主线且没有支线的槽结构，也就是说，单线槽结构两端之间仅存在一条线路。第一电极部和第二电极部处可以用于形成第一电极和第二电极(如电极5)，电极5上连接有电极引线6。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1所示，所述具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器还包括：支撑层7，围绕设置在纸基底1外。
具体地，为了对纸基底1进行支撑，在纸基底1侧面设置支撑层7，支撑层7还可以防止纸基底1的侧面进水。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述超疏水导电层3包括：
相互连接的第一导电部和第二导电部；所述第一导电部和所述第二导电部分别位于所述沟槽2的两侧的内壁上；
所述第一导电部和所述第二导电部之间具有间隙，所述间隙的宽度为微米级；
所述沟槽2的深度和宽度为微米级，所述沟槽2的深度大于所述沟槽2的宽度且小于或等所述纸基底1的厚度的一半。
具体地，沟槽2的内壁为倾斜状内壁，越往沟槽2的内部，沟槽2两侧内壁的间距越小。沟槽2的底部可以是尖角状、曲面状或平面状，沟槽2的底部的形状与加工方法和加工参数有关。沟槽2的底部形成有第三导电部，两侧内壁的第一导电部和第二导电部通过第三导电部连接。沟槽2外的两侧边缘分别形成第四导电部和第五导电部，第四导电部与第一导电部连接，第五导电部与第二导电部连接。
沟槽2的宽度为10μm-100μm，沟槽2的深度应≤纸基底1厚度的一半，以保证具有沟槽2结构的纸一定的机械强度。沟槽2中相邻两个开口环部之间的间距应至少大于1个沟槽2的宽度。沟槽2的深度大于沟槽2的宽度，也就是说，沟槽2的深度>100μm。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述超疏水导电层3包括：导电功能材料、疏水性颗粒材料以及粘弹性材料；所述超疏水绝缘层4包括：疏水性颗粒材料以及粘弹性材料。
具体地，疏水性颗粒材料的粒径为纳米级，导电功能材料的粒径或宽度为纳米级。导电功能材料起到导电作用，使得超疏水导电层3具有导电功能。疏水性颗粒材料起到疏水作用和增强作用，有利于形成岛-桥微结构。粘弹性材料起到粘连作用和弹性作用，使得超疏水导电层3与纸基底1、超疏水绝缘层4粘连在一起，且具有一定的粘弹性。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述导电功能材料包括：金属纳米材料、碳系纳米材料、金属碳/氮化物材料中的至少一种。金属纳米材料银纳米线等，碳系纳米材料有碳纳米管、石墨烯等，金属碳/氮化物材料有MXene等。MXene材料的化学式为Mn+1AXn，其中(n＝1–3)，M代表早期过渡金属，比如Sc、Ti、Zr、V、Nb、Cr或者Mo；A通常代表第三主族和第四主族化学元素；X代表C或N元素。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述疏水性颗粒材料包括：疏水性SiO2颗粒、疏水性ZnO颗粒中的至少一种。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述粘弹性材料包括：橡胶、热塑/固性弹性体、环氧树脂、高分子有机硅化合物、水凝胶中的至少一种。具体地，高分子有机硅化合物有PDMS(聚二甲基硅氧烷)等。
基于上述任意一项实施例的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，本发明还提供了一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法的较佳实施例：
本发明实施例的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S100、提供纸基底、第一掩膜版、第二掩膜版、超疏水导电材料以及超疏水绝缘材料；其中，所述超疏水导电材料包括：导电功能材料、疏水性颗粒材料、粘弹性材料以及溶剂。
具体地，所述第一掩膜版和所述第二掩膜版通过激光切割或切削的方式形成，如图2所示，在掩膜版材料上采用激光切割的方式，按照一定的图案进行切割，则可以得到第一掩膜版和第二掩膜版。超疏水导电材料的是将导电功能材料、疏水性颗粒材料以及粘弹性材料溶于溶剂得到的，超疏水绝缘材料是将疏水性颗粒材料以及粘弹性材料溶于溶剂得到的。
如图4所示，超疏水导电材料中，所述导电功能材料采用碳纳米管，所述疏水性颗粒材料采用直径150～250nm的疏水性SiO2粒子，所述碳纳米管与所述疏水性SiO2粒子的质量比为1:0.5～1:2；所述粘弹性材料包括：PDMS主剂和PDMS固化剂，所述PDMS主剂和所述PDMS固化剂的质量比为1:0.05～1:0.2；所述溶剂包括：六甲基二硅胺烷和乙酸乙酯。
在超疏水导电材料中不添加导电功能材料，则可以得到超疏水绝缘材料。超疏水绝缘材料采用与超疏水导电材料相同的疏水性颗粒材料和粘弹性材料时，有利于超疏水绝缘层和超疏水导电层的连接。
步骤S200、在所述纸基底上形成沟槽。
具体地，如图4所示，在所述纸基底上形成沟槽的方法包括：表面AFM微纳加工、机械切割、激光雕刻、模具压印成型中的至少一种。按照一定的图案在纸基底上形成沟槽。
步骤S300、通过所述第一掩膜版覆盖所述纸基底上沟槽以外的区域，将所述超疏水导电材料喷涂在所述沟槽内，并干燥形成超疏水导电层后去除所述第一掩膜版。
需要说明的是，由于第一掩膜版中空白区域的宽度为毫米级，而沟槽的宽度为微米级，沟槽边缘的部分仍然暴露出来了。那么在喷涂过程中沟槽内和沟槽边缘均会喷涂有超疏水导电材料。在微观上来说，喷涂并不是绝对均匀的，在沟槽可能存在较大尺寸的超疏水导电材料的液滴或平膜，溶剂挥发后，会形成搭在沟槽两侧的第一桥体和第二桥体。由于溶剂的挥发以及纸基底的弯曲变形，液滴或平膜并不能形成完整连接的桥，而是形成断开的第一桥体和第二桥体。沟槽内的超疏水导电材料会在沟槽内形成第一导电部、第二导电部以及第三导电部。沟道外的超疏水导电材料会在沟槽的边缘形成第四导电部和第五导电部。
步骤S400、通过所述第二掩膜版覆盖所述纸基底上超疏水导电层的区域，将所述超疏水绝缘材料形成在所述纸基底上后去除所述第二掩膜版，得到具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器。
具体地，制备好超疏水导电层后，通过第二掩膜版覆盖基底上超疏水导电层的区域，并继续在纸基底上形成超疏水绝缘层。将所述超疏水绝缘材料形成在所述纸基底上的方法包括：喷涂法、浸泡法或旋涂法中的一种。这里超疏水绝缘层的制备方法可以采用多种方法之一。当然也可以在纸基底的背面和侧面形成超疏水绝缘层。
步骤S500、采用3D打印法制备支撑层，并粘贴在具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器外。
具体地，为了对具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器进行支撑，确保具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的使用寿命较长，采用3D打印的方式制备支撑层，并粘贴在具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器外。
具体实施例一
(1)取6寸/200g每张Kodak牌的照片纸，裁剪为直径为2cm的圆状；
(2)在较为粗糙的一面进行表面沟槽制备，较粗糙的面易于材料吸附。通过表面切削加工的方式进行制备沟槽结构。槽宽为44um，槽间距为3mm，槽深约为120μm；
(3)采用热释放薄膜作为掩膜版材料，在掩膜版上通过激光切割或切削的方式形成如图2所示的掩膜版，包括第一掩膜版和第二掩膜版，其中第一掩膜版是用于在沟槽结构上形成超疏水导电层，第二掩膜版是用于在无沟槽结构处形成超疏水绝缘层；
(4)先将第一掩膜版和具有环形沟槽结构的纸基底对齐，使得沟槽结构暴露在第一掩膜版的空白部分；
(5)将2mL的HMDS溶于25mL的乙酸乙酯中，再分别将0.5g CNTs以及0.5g直径为200nm的疏水性SiO2粒子加入到上述混合液中，再加入2g PDMS主剂以及0.2g PDMS固化剂，配成最终的混合液。将混合液放在搅拌器上磁力搅拌10min，再进行超声振荡10min，获得超疏水导电分散液；
(6)将超疏水导电分散液喷涂在步骤4的纸条表面，喷涂次数为20次；
(7)加热台上50℃烘4小时，使得超疏水导电层完成干燥过程；
(8)将样本放置在烘箱中，设置一定温度，使得热释放膜失去粘性，取下第一掩膜版。将第二掩膜版与样本对齐；
(9)将2mL的HMDS溶于25mL的乙酸乙酯中，将0.5g直径为200nm的疏水性SiO2粒子加入到上述混合液中，再加入2g PDMS主剂以及0.2gPDMS固化剂，配成最终的混合液。将混合液放在搅拌器上磁力搅拌10min，再进行超声振荡10min，获得超疏水分散液；
(10)将步骤9中的超疏水分散液喷涂在步骤8中的样品表面；
(11)加热台上50℃烘4小时，使得超疏水层完成干燥过程；
(12)将样本放置在烘箱中，设置一定温度，使得热释放膜失去粘性，取下第二掩膜版；
(13)在电极预留区，利用银浆、铜电极和电极引线，引出电极；
(14)通过3D打印的方式，形成外径20mm，内径18mm，高度5mm的支撑层，胶粘粘附在含沟槽结构的纸基底表面，形成最终的一种具有压力与应变双重机械量信号感知功能的超疏水柔性纸基传感器。
本申请制备了一种具有压力与应变双重机械量信号感知功能的超疏水柔性纸基传感器。传感器的制备所需的掩膜版如图2所示，包括两个掩膜版，其中，第一掩膜版为超疏水导电层制备所需，第二掩膜版为超疏水层制备所需。柔性传感器表面形成的岛-桥微结构的光学形貌如图3所示，沟槽的电子显微扫描图如图4所示，其宽度约为44μm，SiO2的粒径为200nm，周围分布着CNTs。对纸表面的两种超疏水层进行了润湿性表征，结果如图5所示，其中超疏水绝缘层的接触角约为151.2°，滚动角约为8.9°，水滴弹跳时间约为15.67ms，超疏水导电层的接触角约为152.3°，滚动角约为7.3°，水滴弹跳时间约为16.17ms。
对该柔性传感器进行了应变感知性能测试，将其放置于两个电动位移台上，电动位移台由控制器控制，其发出的每个脉冲对应位移台的2μm位移。柔性传感器的电阻用数字万用表Keysight测量，通过测控程序，测试并实时记录柔性传感器发生应变过程的电阻。位移台在控制器控制下进行往复移动时，柔性传感器整体电阻剧烈变化。为定量反映柔性传感器的灵敏度，定义归一化阻变化量ΔR/R0，此处，R为传感器的电阻，ΔR为电阻变化，R0为传感器的初始电阻，在应变灵敏度的测量中，GF＝(ΔR/R0)/Δε(Δε为传感器的形变量)表示应变灵敏度系数，通过位移台使传感器发生形变，同时记录电阻的变化。一般情况下，电阻变化越明显，GF越大，表明传感器灵敏度越高；在不同的形变范围内，传感器的灵敏度不同。结果如图6所示，在应变范围为0～0.05％范围内呈现出～40的灵敏度GF值，在0.05～0.12％应变范围内呈现出～100的灵敏度GF值。
同时，对该柔性传感器进行了压力感知性能测试，使用了万能材料试验机作为对该柔性传感器的测试设备，用数字万用表作为该柔性传感器的电信号采集设备。该柔性传感器放置在万能材料试验机的测试台中，其上需要放置一个形状规则的弹性垫片保持柔性压力传感器的受力面积一致以及确保弹性垫片覆盖的区域能均匀受力。传感器的电阻信号使用数字万用表采集，压力数据和电阻数据均被与测试系统相连的电脑记录下来。将测试结果的压力作为横坐标，将ΔR/R0作为纵坐标作图，结果如图7所示，在压力范围为0～100kPa范围内呈现出～0.43％kPa-1的灵敏度GF值，在100～160kPa应变范围内呈现出～0.18％kPa-1的灵敏度GF值。
对柔性传感器进行了耐水性测试，将柔性传感器完全放入水中，然后从水中去取出完全暴露在空气中，反复数次，并在过程中测量柔性传感器的电阻，如图8所示，表明了传感器在进水和出水时的相对电阻变化率情况，表明传感器能够在湿润环境下实现正常稳定、重复性的工作。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，其特征在于，包括：
纸基底，所述纸基底上设置有沟槽；
超疏水导电层，设置于所述沟槽的内壁及边缘；
超疏水绝缘层，设置于所述纸基底上所述超疏水导电层之外的区域；
其中，所述超疏水绝缘层与所述超疏水导电层的边缘连接以铺满整个所述纸基底；
所述超疏水导电层上形成岛-桥微结构，所述岛-桥微结构中的桥包括：
第一桥体和第二桥体，所述第一桥体和所述第二桥体分别位于所述沟槽两侧的内壁上。
2.根据权利要求1所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，其特征在于，所述沟槽为多环状沟槽；所述多环状沟槽包括：
第一电极部和第二电极部；
若干个开口环部；
其中，各所述开口环部同心设置；
各所述开口环部依次连接形成单线槽结构，所述单线槽结构的两端分别连接第一电极部和第二电极部。
3.根据权利要求1所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，其特征在于，所述具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器还包括：支撑层，围绕设置在纸基底外；
所述超疏水导电层包括：
相互连接的第一导电部和第二导电部；所述第一导电部和所述第二导电部分别位于所述沟槽的两侧的内壁上；
所述第一导电部和所述第二导电部之间具有间隙，所述间隙的宽度为微米级；
所述沟槽的深度和宽度为微米级，所述沟槽的深度大于所述沟槽的宽度且小于或等于所述纸基底的厚度的一半。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，其特征在于，所述纸基底选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种，和/或
所述超疏水导电层包括：导电功能材料、疏水性颗粒材料以及粘弹性材料；所述超疏水绝缘层包括：疏水性颗粒材料以及粘弹性材料。
5.根据权利要求4所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器，其特征在于，所述导电功能材料包括：金属纳米材料、碳系纳米材料、金属碳/氮化物材料中的至少一种；
所述疏水性颗粒材料包括：疏水性SiO2颗粒、疏水性ZnO颗粒中的至少一种；
所述粘弹性材料包括：橡胶、热塑/固性弹性体、环氧树脂、高分子有机硅化合物、水凝胶中的至少一种。
6.一种如权利要求1～5任意一项具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供纸基底、第一掩膜版、第二掩膜版、超疏水导电材料以及超疏水绝缘材料；其中，所述超疏水导电材料包括：导电功能材料、疏水性颗粒材料、粘弹性材料以及溶剂；
在所述纸基底上形成沟槽；
通过所述第一掩膜版覆盖所述纸基底上沟槽以外的区域，将所述超疏水导电材料喷涂在所述沟槽内，并干燥形成超疏水导电层后去除所述第一掩膜版；
通过所述第二掩膜版覆盖所述纸基底上超疏水导电层的区域，将所述超疏水绝缘材料形成在所述纸基底上后去除所述第二掩膜版，得到具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器。
7.根据权利要求6所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法，其特征在于，所述导电功能材料采用碳纳米管，所述疏水性颗粒材料采用直径150～250nm的疏水性SiO2粒子，所述碳纳米管与所述疏水性SiO2粒子的质量比为1:0.5～1:2；
所述粘弹性材料包括：PDMS主剂和PDMS固化剂，所述PDMS主剂和所述PDMS固化剂的质量比为1:0.05～1:0.2；
所述溶剂包括：六甲基二硅胺烷和乙酸乙酯。
8.根据权利要求6所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法，其特征在于，在所述纸基底上形成沟槽的方法包括：表面AFM微纳加工、机械切割、激光雕刻、模具压印成型中的至少一种；
将所述超疏水绝缘材料形成在所述纸基底上的方法包括：喷涂法、浸泡法或旋涂法中的一种。
9.根据权利要求6所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法，其特征在于，所述具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器还包括：支撑层，围绕设置在纸基底外；所述制备方法还包括：
采用3D打印法制备支撑层，并粘贴在具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器外。
10.根据权利要求6所述的具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器的制备方法，其特征在于，所述第一掩膜版和所述第二掩膜版通过激光切割或切削的方式形成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210718526.8A CN115265858B (zh) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | 一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210718526.8A CN115265858B (zh) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | 一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115265858A true CN115265858A (zh) | 2022-11-01 |
| CN115265858B CN115265858B (zh) | 2024-07-02 |
Family
ID=83761919
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210718526.8A Active CN115265858B (zh) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | 一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115265858B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150323302A1 (en) * | 2014-05-06 | 2015-11-12 | National Sun Yat-Sen University | Flexible Strain Sensor, Method for Producing Same, and Measuring Device Including Same |
| CN111189383A (zh) * | 2020-02-20 | 2020-05-22 | 吉林大学 | 一种超疏水纸基应变传感器及其制备方法 |
| KR20200087512A (ko) * | 2019-01-11 | 2020-07-21 | 인하대학교 산학협력단 | 종이기판 기반의 스트레인 센서와 그 제조방법 |
-
2022
- 2022-06-23 CN CN202210718526.8A patent/CN115265858B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150323302A1 (en) * | 2014-05-06 | 2015-11-12 | National Sun Yat-Sen University | Flexible Strain Sensor, Method for Producing Same, and Measuring Device Including Same |
| KR20200087512A (ko) * | 2019-01-11 | 2020-07-21 | 인하대학교 산학협력단 | 종이기판 기반의 스트레인 센서와 그 제조방법 |
| CN111189383A (zh) * | 2020-02-20 | 2020-05-22 | 吉林大学 | 一种超疏水纸基应变传感器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈胜: "纤维素纸基能源与传感器件的制备及性能研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》, no. 3, 15 March 2021 (2021-03-15), pages 016 - 36 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115265858B (zh) | 2024-07-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Khosravani et al. | 3D-printed sensors: Current progress and future challenges | |
| Mu et al. | Enhanced piezocapacitive effect in CaCu3Ti4O12–polydimethylsiloxane composited sponge for ultrasensitive flexible capacitive sensor | |
| Han et al. | Highly sensitive and flexible wearable pressure sensor with dielectric elastomer and carbon nanotube electrodes | |
| CN106441646B (zh) | 一种柔性压力传感器及其制备方法 | |
| CN111189383B (zh) | 一种超疏水纸基应变传感器及其制备方法 | |
| CN110763375B (zh) | 一种介电层、离子电容式柔性触觉传感器及其制备方法和应用 | |
| Wang et al. | A highly flexible tactile sensor with an interlocked truncated sawtooth structure based on stretchable graphene/silver/silicone rubber composites | |
| CN110423371B (zh) | 一种可降解的多功能柔性传感材料及其制备方法和由其制成的传感器 | |
| CN111759315A (zh) | 一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法 | |
| CN111693189B (zh) | 一种新型柔性力敏传感器及其制备方法 | |
| CN111055554A (zh) | 一种新型柔性智能织物传感器及其制造方法 | |
| CN110261012B (zh) | 一种柔性角度传感器及其制备方法 | |
| CN110082012B (zh) | 一种柔性压力传感器及其制作方法 | |
| US11773298B2 (en) | Dry adhesives and methods for making dry adhesives | |
| Xu et al. | Ultrasensitive and recyclable multifunctional superhydrophobic sensor membrane for underwater applications, weather monitoring, and wastewater treatment | |
| CN112525065A (zh) | 基于混合电阻纠缠网络的微裂纹柔性阻变力学传感器及其制备方法 | |
| Ge et al. | Flexible pressure sensor based on a thermally induced wrinkled graphene sandwich structure | |
| Cuasay et al. | Flexible tactile sensors based on silver nanowires: Material synthesis, microstructuring, assembly, performance, and applications | |
| Oh et al. | Sensors for biosignal/health monitoring in electronic skin | |
| CN114812879A (zh) | 一种具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器及其制备方法 | |
| Wang et al. | Flexible strain sensor with ridge‐like microstructures for wearable applications | |
| Raj et al. | Advancements in material extrusion based three-dimensional printing of sensors: a review | |
| CN115265858A (zh) | 一种具有压力与应变双感知功能的超疏水柔性纸基传感器 | |
| Zhang et al. | A highly sensitive flexible capacitive pressure sensor with wide detection range based on bionic gradient microstructures | |
| Liu et al. | A multifunctional flexible sensor with coupling bionic microstructures inspired by nature |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |