CN115752833B - 一种阵列式MXene柔性薄膜传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式MXene柔性薄膜传感器及其应用，包括复合薄膜，所述复合薄膜由柔性衬底及设置于所述柔性衬底上表面的MXene导电薄膜复合而成，所述复合薄膜的上表面设置有导电银浆，所述导电银浆的内部引出导线，所述复合薄膜为星型多角形，相邻所述复合薄膜相互独立且阵列化排布。本发明通过借助激光刻蚀或使用模具，设置图形化的MXene区域单元，引导不同光热膨胀和收缩区域产生，通过控制阵列式MXene柔性薄膜传感器及近红外光照参数（厚度、形状、光功率、光照时间），获得不同的致动效果。

Description

一种阵列式MXene柔性薄膜传感器及其应用

技术领域

本发明涉及一种电子器件技术领域，尤其涉及一种阵列式MXene柔性薄膜传感器及其应用。

背景技术

MXene作为二维材料中的一员，具有出色的电导性、热导性、光热转换能力，是高性能致动器材料中的一种。MXene致动器广泛应用于仿生手臂、仿生植物、自传感、物体运输、能量生成等方面。同其它二维材料（石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等）光致动器类似，MXene光致动器通常需要近红外光照射，产生光热转换，使致动器表面温度升高，产生热膨胀、热收缩等效应来调控致动器的位置、方向及致动效果（爬行、转向、滚动和跳跃等）。因而，柔性致动器（包括MXene）通常需要手动调节光照位置，一方面自动化程度较低，增加了致动工序，另一方面，不利于阵列化器件的光调控，无法形成更加智能的反馈系统。而智能反馈系统是制约光致动仿生柔性机器人应用的一个重要指标，形成完整的智能反馈系统，将会大幅推动柔性光致动器在仿生机器人、仿生植物、物体运输等领域中的深入应用。

通过阵列式MXene柔性薄膜光致动器进行接触反馈是将光敏感层同时用作电传感层，MXene-PDMS柔性致动器件在摩擦下会伴随产生电流信号，当接触阵列中某一敏感单元时，电脑端对应的阵列中被接触单元的电学信号发生变化，固定有近红外光源的运动控制器单元识别并移动到该坐标，阵列式MXene柔性薄膜光致动器中被照射的传感单元因光热效应产生热收缩或热膨胀，经一定处理后，达到接触反馈的目的。

为此，我们提出一种阵列式MXene柔性薄膜传感器及其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阵列式MXene柔性薄膜传感器及其应用，解决了现有技术中如何利用收缩层和被动层在近红外光下产生的收缩和膨胀及利用静电感应实现对位置的识别及反馈的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种阵列式MXene柔性薄膜传感器，其特征在于，包括复合薄膜，所述复合薄膜由柔性衬底及设置于所述柔性衬底上表面的MXene导电薄膜复合而成，所述复合薄膜的上表面设置有导电银浆，所述导电银浆的内部引出导线，所述复合薄膜为星型多角形，相邻所述复合薄膜相互独立且阵列化排布。

进一步地，相邻所述复合薄膜的间距为1-5cm。

进一步地，所述复合薄膜的内角角度为10-40°。

进一步地，所述柔性衬底选自以下任意一种：聚二甲硅氧烷、聚偏二氟乙烯、双向拉伸聚丙烯、低密度聚乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯。

进一步地，所述导线的材质为Cu、Pt或Au。

本发明还提供一种阵列式MXene柔性薄膜传感器在接触反馈系统上的应用。

进一步地，所述应用的过程为：

步骤一、利用近红外激光光源照射阵列式MXene柔性薄膜传感器，测试阵列式MXene柔性薄膜传感器在不同功率近红外光照及不同照射时间下的形变程度，记录阵列式MXene柔性薄膜传感器弯曲角度随近红外光功率的变化曲线；记录阵列式MXene柔性薄膜传感器弯曲角度随近红外光照射时间的变化曲线；随着阵列式MXene柔性薄膜传感器被近红外光照射功率及时间的增长，形变程度进一步增加，直到达到阈值；

步骤二、触摸阵列式MXene柔性薄膜传感器中的某一单元，测试阵列式MXene柔性薄膜传感器的电流，记录阵列式MXene柔性薄膜传感器电流在接触分离的变化；

步骤三、利用外部多通道数据采集设备采集阵列式MXene柔性薄膜传感器的电流，根据电流变化，显示被触摸单元位置，并开启近红外光源在该位置的照射，实现阵列式MXene柔性薄膜传感器的接触反馈。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过借助激光刻蚀或使用模具，设置图形化的MXene区域单元，引导不同光热膨胀和收缩区域产生，通过控制阵列式MXene柔性薄膜传感器及近红外光照参数（厚度、形状、光功率、光照时间），获得不同的致动效果。

2、本发明提出的复合薄膜上覆盖了一层导电银浆，具有静电感应的功能，阵列中每个单元对应唯一的坐标位置，用手触碰阵列中的某一单元时，器件会产生电流，通过多通道设备同时采集阵列中所有MXene单元的电学信号，识别产生电流的单元的位置，并打开近红外光源实现该位置器件的光致动，该技术方案实现了触碰‒产生静电感应‒坐标位置识别‒光致动，这一完整的反馈系统，为仿生柔性软体机器人的触碰反馈系统提供了一种方案。

附图说明

图1为本发明一种阵列式MXene柔性薄膜传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例1的MXene柔性薄膜器件的SEM图像；

图3为本发明实施例1与对比例在不同近红外光功率照射下致动特性，以及不同近红外光照时间下致动特性图；

图4为本发明实施例1-3与对比例在不同器件角度下致动特性图；

图5为本发明实施例1在近红外光照射下（1 W）的循环稳定性图；

图6为本发明实施例1被触碰及未被触碰的单元电流对比图；

图7为本发明实施例1被触碰器件的光致动反馈及随时间变化的致动效果图。

具体实施方式

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种阵列式MXene柔性薄膜传感器，包括复合薄膜，所述复合薄膜由柔性衬底及设置于所述柔性衬底上表面的MXene导电薄膜复合而成，所述柔性衬底选自以下任意一种：聚二甲硅氧烷、聚偏二氟乙烯、双向拉伸聚丙烯、低密度聚乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯；所述复合薄膜的上表面设置有导电银浆；所述导电银浆的内部引出导线，所述导线的材质为Cu、Pt或Au；所述复合薄膜为星型多角形，相邻所述复合薄膜相互独立且阵列化排布。相邻所述复合薄膜的间距为1-5cm。所述复合薄膜的内角角度为10-40°。

实施例1：一种阵列式MXene柔性薄膜传感器，包括复合薄膜，所述复合薄膜由柔性衬底及设置于所述柔性衬底上表面的MXene导电薄膜复合而成，所述柔性衬底为聚二甲硅氧烷；所述复合薄膜的上表面设置有导电银浆，所述导线的材质为Cu；所述导电银浆的内部引出导线，所述复合薄膜为星型多角形，相邻所述复合薄膜相互独立且阵列化排布。相邻所述复合薄膜的间距为3cm。所述复合薄膜的内角角度为10°。参见图2为MXene柔性薄膜器件的SEM图像，由图可知，MXene膜表面平整，MXene膜厚度约为25-87μm，PDMS厚度约为46-141μm。

实施例2：一种阵列式MXene柔性薄膜传感器，包括复合薄膜，所述复合薄膜由柔性衬底及设置于所述柔性衬底上表面的MXene导电薄膜复合而成，所述柔性衬底为聚偏二氟乙烯；所述复合薄膜的上表面设置有导电银浆，所述导线的材质为Pt；所述导电银浆的内部引出导线，所述复合薄膜为星型多角形，相邻所述复合薄膜相互独立且阵列化排布。相邻所述复合薄膜的间距为1cm。所述复合薄膜的内角角度为25°。

实施例3：一种阵列式MXene柔性薄膜传感器，包括复合薄膜，所述复合薄膜由柔性衬底及设置于所述柔性衬底上表面的MXene导电薄膜复合而成，所述柔性衬底为双向拉伸聚丙烯；所述复合薄膜的上表面设置有导电银浆，所述导线的材质为Au；所述导电银浆的内部引出导线，所述复合薄膜为星型多角形，相邻所述复合薄膜相互独立且阵列化排布。相邻所述复合薄膜的间距为5cm。所述复合薄膜的内角角度为40°。

对比例：现有的四边形MXene柔性薄膜器件。

将实施例1与对比例进行对比，测试本发明实施例1与对比例在不同近红外光功率照射15s下的致动特性，以及不同近红外光照时间下致动特性，参见图3中的（a）可知，本发明实施例1随着近红外光功率的增大，光热转换效率增高，器件弯曲角度增大表明器件表面温度升高，MXene开始收缩，PDMS热膨胀系数角度，开始膨胀，两者共同作用，导致弯曲幅度增大，并提升光致动的灵敏度与响应/恢复速率。图3中的（b）可知，本发明实施例1在光照时间增长时，MXene表面光热效应增强，表面温度增高，MXene的收缩和PDMS的热膨胀导致致动效果的增强。

对比例制备四边形MXene柔性薄膜器件的示意图如图3中的（c）插图所示，对比例直接用激光切割或剪切成的四边形作为致动单元，由于形状的改变，光致弯曲力的分布发生变化。测试对比例的四边形MXene柔性薄膜器件在不同光功率照射15s的致动性能，如图3中的（c）所示，及相同光功率不同光照时间下的致动性能，如图3中的（d）所示。由图3中的（c）和图3中的（d）可知，对比例器件在0.1-1.5W的光功率下，无致动效果，在2W的光功率下，随着光照时间的增长，有轻微致动效果，致动效果远低于本发明实施例1。

参见图4，为本发明实施例1-3与对比例在不同器件角度下致动特性图。

一种阵列式MXene柔性薄膜传感器在接触反馈系统上的应用。

所述应用的过程为：

步骤一、利用近红外激光光源照射实施例1阵列式MXene柔性薄膜传感器，测试实施例1在不同功率近红外光照及不同照射时间下的形变程度，记录实施例1弯曲角度随近红外光功率的变化曲线；记录实施例1弯曲角度随近红外光照射时间的变化曲线；随着实施例1被近红外光照射功率及时间的增长，形变程度进一步增加，直到达到阈值；参见图5展示了将实施例1制备的阵列式MXene柔性薄膜传感器在1W的近红外光照射下的循环稳定性。在不断的开-关光的循环测试下，致动器的致动性能（弯曲角度）仍保持和最初一致，展现了阵列式MXene柔性薄膜传感器在空气中的致动性能的稳定性。

步骤二、触摸实施例1中的某一单元，测试实施例1的电流，记录实施例1电流在接触分离的变化；参见图6展示了实施例1中被触摸单元和未被触摸单元的电流大小，由于导电银浆的存在，当触摸某一单元时会产生静电感应，从而产生电流，可以将被触碰单元和未被触碰单元区分开，实现位置的识别。

步骤三、利用外部多通道数据采集设备采集实施例1的电流，根据电流变化，显示被触摸单元位置，并开启近红外光源在该位置的照射，实现实施例1的接触反馈；参见图7展示了当被触碰坐标位置被识别后，程序化的近红外光源照射被触碰单元，被照射区域温度升高，产生的光致动弯曲随照射时间的变化情况。利用静电感应形成了触碰反馈系统，同时该反馈系统还可与其他近红外光下具有致动效果的阵列相兼容，将会大幅推动柔性光致动器在仿生机器人、仿生植物、物体抓取等领域中的应用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种阵列式MXene柔性薄膜传感器，其特征在于，包括复合薄膜，所述复合薄膜由柔性衬底及设置于所述柔性衬底上表面的MXene导电薄膜复合而成，所述复合薄膜的上表面设置有导电银浆，所述导电银浆的内部引出导线，所述复合薄膜为星型多角形，相邻所述复合薄膜相互独立且阵列化排布。

2.如权利要求1所述的一种阵列式MXene柔性薄膜传感器，其特征在于，相邻所述复合薄膜的间距为1-5cm。

3.如权利要求1所述的一种阵列式MXene柔性薄膜传感器，其特征在于，所述复合薄膜的内角角度为10-40°。

4.如权利要求1所述的一种阵列式MXene柔性薄膜传感器，其特征在于，所述柔性衬底选自以下任意一种：聚二甲硅氧烷、聚偏二氟乙烯、双向拉伸聚丙烯、低密度聚乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯。

5.如权利要求1所述的一种阵列式MXene柔性薄膜传感器，其特征在于，所述导线的材质为Cu、Pt或Au。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种阵列式MXene柔性薄膜传感器在接触反馈系统上的应用方法，其特征在于，所述应用方法的过程为：

步骤一、利用近红外激光光源照射阵列式MXene柔性薄膜传感器，测试阵列式MXene柔性薄膜传感器在不同功率近红外光照及不同照射时间下的形变程度，记录阵列式MXene柔性薄膜传感器弯曲角度随近红外光功率的变化曲线；记录阵列式MXene柔性薄膜传感器弯曲角度随近红外光照射时间的变化曲线；随着阵列式MXene柔性薄膜传感器被近红外光照射功率及时间的增长，形变程度进一步增加，直到达到阈值；

步骤二、触摸阵列式MXene柔性薄膜传感器中的某一单元，测试阵列式MXene柔性薄膜传感器的电流，记录阵列式MXene柔性薄膜传感器电流在接触分离的变化；

步骤三、利用外部多通道数据采集设备采集阵列式MXene柔性薄膜传感器的电流，根据电流变化，显示被触摸单元位置，并开启近红外光源在该位置的照射，实现阵列式MXene柔性薄膜传感器的接触反馈。