CN115342855A - 一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器及制备方法 - Google Patents

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张磊
马庶祺
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Abstract

本发明公开了一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器及其制备方法。主要由从下到上依次层叠布置的第一柔性基底、压力敏感层、第二柔性基底、湿气发电层和透气保护层构成；所述的湿气发电层的两端上设有电极，两端的电极均经导线引出；所述的压力敏感层两端均经导线引出；湿气发电层通过氧化聚合反应在表面梯度沉积聚多巴胺亲水层得到。本发明的触觉传感器具有较好的柔性，便于贴附在复杂表面使用，且具有自供电特性，可独立运行无需外加电源，具有优异的湿气发电性能，可同时检测湿度和压力两种触觉信号，湿度检测与自发电同步进行，有利于提高器件集成度。

Description

一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种自供电触觉传感器及制备方法，具体是涉及了一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器及其制备方法。
背景技术
柔性压力传感器可通过模仿人类皮肤的功能为机器与周围环境的交互提供解决方案，并有望应用在人机交互、智能机器人、健康监测等多个领域，是目前柔性传感器领域的重要组成部分。为拓展柔性触觉传感器的应用范围，除提升传感性能外，还需赋予触觉传感器独立运行的能力，尤其是对于植入式或嵌入式设备等，传感器的可持续运行能力更是必不可少。然而，传统的触觉传感器几乎都由寿命有限的刚性电池供能，需频繁地充电和更换，同时电池自身的重量和体积也阻碍了传感器件的集成，极大限制了器件的可用性和便携性。因此，研究可自供电的触觉传感器件，对于触觉传感器的发展和应用拓展具有十分重要的意义。
目前已有的自发电材料和器件主要通过压电、摩擦电、热电、光伏发电及湿气发电等方式实现。与其它发电方式相比，湿气发电的优势在于有更强的环境适应性，即使在湿度较低的干旱地区也同样具备一定发电能力，且不需要机械运动、光或热作为能量来源，可利用自然界普遍存在的水蒸气资源直接发电；同时湿度是触觉传感器的主要检测参数之一，湿气发电可实现湿度检测与自发电同步进行，有利于提高器件集成度。因此，研制湿气驱动的自供电柔性触觉传感器具有重大意义。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器及制备方法，赋予触觉传感器独立运行的能力。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一、一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器：
主要由从下到上依次层叠布置的第一柔性基底、压力敏感层、第二柔性基底、湿气发电层和透气保护层构成；压力敏感层布置在第一柔性基底之上，湿气发电层布置在第二柔性基底之上；所述的湿气发电层的两端上设有电极，两端的电极均经导线引出连接到外部的电接收件，电接收件通常为信号接收器和触觉传感器；所述的压力敏感层两端均经导线引出连接到外部的信号接收器。
所述的湿气发电层采用聚多巴胺改性的碳纳米纤维膜，内部具有吸水能力梯度。
所述的湿气发电层在沿梯度方向的两端分别布置一个电极。
所述的电极布置在湿气发电层上表面或者侧表面，或者嵌入湿气发电层内。
湿气发电层的一端聚多巴胺含量高，另一端聚多巴胺含量低，从一端到另一端呈梯度变化，因此在聚多巴胺含量高的一端布置一个电极，在聚多巴胺含量低的另一端布置一个电极。
所述的压力敏感层为压敏薄膜材料。
所述的透气保护层为多孔透气薄膜材料。
所述的压力敏感层上表面设置微结构。
所述的湿气发电层采用以下方式由多巴胺改性制备而成：
先用静电纺丝法制备聚合物纳米纤维膜，将聚合物纳米纤维膜经高温碳化后制备获得碳纳米纤维膜；所述的高温为400-800℃范围温度。
将碳纳米纤维膜浸渍在多巴胺溶液中，利用氧化聚合反应在纤维表面沉积聚多巴胺亲水层，得到具有吸水能力梯度的聚多巴胺改性纤维膜，作为湿气发电材料。
在静电纺丝法制备过程中，调节工艺参数以调控聚合物纳米纤维膜中纤维的直径为200-5000nm，以及调控聚合物纳米纤维膜的厚为范围、膜厚为5-10μm。
二、一种自供电柔性触觉传感器的制备方法：
制备方法包括：
S1、在第一柔性基底上贴附压力敏感层，压力敏感层两端与导线相连，在压力敏感层上方黏附第二柔性基底；
S2、利用多巴胺对聚合物纳米纤维膜进行改性获得湿气发电材料；
S3、借助微纳加工工艺在湿气发电材料沿梯度方向的两端制备电极，并将两端的电极与外界的负载连接，得到湿气发电层，并将湿气发电层黏附在第二柔性基底上；
S4、在湿气发电层上方再覆盖一层多孔网状薄膜材料作为透气保护层，得到具有湿气发电功能的自供电触觉传感器。
所述的压力敏感层为上表面带有微结构的压力敏感层。即压力敏感层预先加工出微结构再贴附到基底上。
本发明的湿气发电层通过氧化聚合反应在表面梯度沉积聚多巴胺亲水层得到，带来了良好的湿气发电性能。
本发明的有益效果是：
本发明的触觉传感器具有较好的柔性，便于贴附在复杂表面使用；本发明的触觉传感器具有自供电特性，可独立运行无需外加电源。
本发明具有优异的湿气发电性能，即使在湿度较低的干旱地区也同样具备一定发电能力，且不需要机械运动、光或热作为能量来源，具有较强的环境适应性；本发明的触觉传感器可同时检测湿度和压力两种触觉信号，湿度检测与自发电同步进行相互不干扰，有利于提高器件集成度。
附图说明
图1是本发明自供电触觉传感器的结构示意图；
图2是本发明中聚多巴胺改性纤维膜的扫描电镜图；
图3是本发明具有压力敏感微结构的自供电触觉传感器的结构示意图；
图4是本发明自供电触觉传感器的电阻变化率(ΔR/R)随施加的压强(P)的变化图；
图中，1-第一柔性基底，2-压力敏感层，3-导线，4-第二柔性基底，5-湿气发电层，6-电极，7-透气保护层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的实施例如下：
实施例1：
如图1所示，以聚酰亚胺(PI)膜作为第一柔性基底1，在第一柔性基底1上浇注掺杂有碳纳米管(CNT)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体，并在80℃下固化60分钟，得到压力敏感层2。在压力敏感层2的两端分别引出导线301和导线302。随后在压力敏感层2上表面贴附PI膜作为第二柔性基底4。
用静电纺丝法制备聚苯胺(PANI)纳米纤维膜，纤维直径在200-5000nm范围、膜厚为5-10μm。PANI纤维膜在马弗炉中经高温碳化，得到碳纳米纤维膜。将碳纳米纤维膜以30-90°的倾角浸渍在多巴胺溶液中，静置3h进行氧化聚合反应，在纤维表面沉积聚多巴胺亲水层，得到具有聚多巴胺负载量梯度和吸水能力梯度的聚多巴胺改性纤维膜，作为湿气发电层5，其形貌如图2所示。在湿气发电层5的两端溅射电极601和电极602，并利用导线303和导线304引出。将湿气发电层5黏附在第二柔性基底4上。在湿气发电层5上方再覆盖一层300目的尼龙筛网作为透气保护层7，得到具有湿气发电功能的自供电触觉传感器。
当该自供电触觉传感器工作时，首先在导线303和导线304两端连接电压和电流表及负载电阻，根据外界湿度和负载电阻变化时测得的电压和电流值绘制标准拟合曲线。在压力敏感层2两端连接电源，测试其I-V曲线，确立电阻变化率与压力之间的关系，绘制电阻-压力标准拟合曲线；随后将压力敏感层2两端通过导线301和导线302与电压表和电流表相连，检测压力敏感层2两侧的电压及电路内的电流计算电阻，代入电阻-压力标准拟合曲线反推施加的压力大小。测试该自供电触觉传感器在不同环境下的传感性能，在检测压力信息的同时，以压力敏感层2为负载，借助湿气发电层5两端输出电压与负载电阻及湿度的关系模型，计算实时的环境湿度，实现压力和湿度的同步检测。
实施例2：
如图3所示，以聚酯(PET)为第一柔性基底1。在具有微结构的模板中浇注PDMS，并在80℃下固化60分钟，得到具有微结构的PDMS膜；用等离子处理PDMS膜具有微结构一侧的表面，随后在其表面涂覆氧化石墨烯(GO)悬浮液(1-5mg/mL)中，在50℃下干燥后利用硅烷蒸汽对GO层进行同步交联和还原，形成还原氧化石墨烯(RGO)的导电涂层，从而得到具有微结构的压力敏感层2。将压力敏感层2贴附在第一柔性基底1上，在压力敏感层2的两端分别引出导线301和导线302。随后在压力敏感层2上表面贴附PET膜作为第二柔性基底4。
用静电纺丝法制备聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜，纤维直径在200-5000nm范围、膜厚为5-10μm。PAN纤维膜在马弗炉中经高温碳化，得到碳纳米纤维膜。将碳纳米纤维膜以30-90°的倾角浸渍在多巴胺溶液中，静置3h进行氧化聚合反应，在纤维表面沉积聚多巴胺亲水层，得到具有聚多巴胺负载量梯度和吸水能力梯度的聚多巴胺改性纤维膜，作为湿气发电层5。在湿气发电层5的两端溅射电极601和电极602，并利用导线303和导线304引出。将湿气发电层5黏附在第二柔性基底4上。在湿气发电层5上方再覆盖一层300目的尼龙筛网作为透气保护层7，得到具有湿气发电功能的自供电触觉传感器。
当该自供电触觉传感器工作时，首先在导线303和导线304两端连接电压和电流表及负载电阻，根据外界湿度和负载电阻变化时测得的电压和电流值绘制标准拟合曲线。在压力敏感层2两端连接电源，测试其I-V曲线，确立电阻变化率与压力之间的关系，绘制电阻-压力标准拟合曲线；随后将压力敏感层2两端通过导线301和导线302与电压表和电流表相连，检测压力敏感层2两侧的电压及电路内的电流计算电阻，代入电阻-压力标准拟合曲线反推施加的压力大小。
测试该自供电触觉传感器在不同环境下的传感性能，在检测压力信息的同时，以压力敏感层2为负载，借助湿气发电层5两端输出电压与负载电阻及湿度的关系模型，计算实时的环境湿度，实现压力和湿度的同步检测。如图4所示，所得触觉传感器的电阻变化率(ΔR/R)的绝对值随施加的压强(P)增大而不断增大，并在低压力区域(<100kPa)显示出-6.81/kPa的灵敏度(S1)，高压力区域(>100kPa)灵敏度(S2)为-0.43/kPa。

Claims (10)

1.一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器，其特征在于：主要由从下到上依次层叠布置的第一柔性基底(1)、压力敏感层(2)、第二柔性基底(4)、湿气发电层(5)和透气保护层(7)构成；所述的湿气发电层(5)的两端上设有电极(6)，两端的电极(6)均经导线(303、304)引出；所述的压力敏感层(2)两端均经导线(301、302)引出。
2.根据权利要求1所述的一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器，其特征在于：所述的湿气发电层(5)采用聚多巴胺改性的碳纳米纤维膜，内部具有吸水能力梯度。
3.根据权利要求1所述的一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器，其特征在于：所述的湿气发电层(5)在沿梯度方向的两端分别布置一个电极(6)。
4.根据权利要求1所述的一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器，其特征在于：所述的压力敏感层(2)为压敏薄膜材料。
5.根据权利要求1所述的一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器，其特征在于：所述的透气保护层(7)为多孔透气薄膜材料。
6.根据权利要求1所述的一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器，其特征在于：
所述的压力敏感层(2)上表面设置微结构。
7.根据权利要求1所述的一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器，其特征在于：所述的湿气发电层(5)采用以下方式由多巴胺改性制备而成：
先用静电纺丝法制备聚合物纳米纤维膜，将聚合物纳米纤维膜经高温碳化后制备获得碳纳米纤维膜；
将碳纳米纤维膜浸渍在多巴胺溶液中，利用氧化聚合反应在纤维表面沉积聚多巴胺亲水层，得到具有吸水能力梯度的聚多巴胺改性纤维膜，作为湿气发电材料。
8.根据权利要求7所述的一种湿气驱动的自供电柔性触觉传感器，其特征在于：在静电纺丝法制备过程中，调节工艺参数以调控聚合物纳米纤维膜中纤维的直径为200-5000nm，以及调控聚合物纳米纤维膜的厚为范围、膜厚为5-10μm。
9.应用于权利要求1-8任一所述自供电柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于：制备方法包括：
S1、在第一柔性基底(1)上贴附压力敏感层(5)，压力敏感层(5)两端与导线相连，在压力敏感层(5)上方黏附第二柔性基底(4)；
S2、利用多巴胺对聚合物纳米纤维膜进行改性获得湿气发电材料；
S3、借助微纳加工工艺在湿气发电材料沿梯度方向的两端制备电极，并将两端的电极与外界的负载连接，得到湿气发电层(5)，并将湿气发电层(5)黏附在第二柔性基底(4)上；
S4、在湿气发电层(5)上方再覆盖一层多孔网状薄膜材料作为透气保护层(7)，得到具有湿气发电功能的自供电触觉传感器。
10.根据权利要求9所述的自供电柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于：所述的压力敏感层(5)为上表面带有微结构的压力敏感层。
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