CN116753832A - 一种离子梯度发电型拉伸应变传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种离子梯度发电型拉伸应变传感器及其制备方法，属于柔性应变传感器和柔性可穿戴电子学技术领域，具体包括乳胶管，包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线，两个电极，以及包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸；弹力线穿过乳胶管，两个电极分别固定在弹力线/乳胶管两端，滤纸固定在其中一端弹力线的外部、对应电极的内部；第二吸湿敏感材料的吸湿性能优于第一吸湿敏感材料。本发明基于离子梯度实现传感器的自供电，无需外部电源供电，并利用包覆第一吸湿敏感材料的弹力线实现应变检测，同时满足静态应变与动态应变的检测需求，此外在传感过程中不会消耗传感器本身的材料，提升传感器寿命。
Description
技术领域
本发明属于柔性应变传感器和柔性可穿戴电子学技术领域，具体涉及一种离子梯度发电型拉伸应变传感器及其制备方法。
背景技术
柔性应变传感器在健康医疗、软体机器人、智慧农业、智能家居等领域具有广阔的应用前景。目前，柔性应变传感器主要包括电阻型、电容型、压电型和摩擦电型。比如，专利CN 115976828 A公布了一种柔性应变电阻式传感器及其制备方法，使用锦纶纤维和氨纶纤维构成的针织物为柔性衬底，采用浸轧导电油墨方式制备柔性应变传感器，其中导电油墨是由石墨、导电炭黑、改性环氧树脂、聚氨酯、异佛尔酮和甲基异丁基酮混合液组成。专利CN115553755 A公布了双电容应变式传感器及其制备方法，以及呼吸监测带。双电容应变式传感器呈层叠结构，自下而上依次包括第一封装层、第一导电层、第一介电层、第二导电层、第二介电层、第三导电层和第二封装层。专利CN 114894350 A公布了一种高性能压电式应变传感器，包括作业桶、压电元件、电路板和连接杆。专利CN 113624121 A公布了一种纤维式摩擦电应变传感器及其制备方法，由内而外依次为纤维基底层、工作电极层和封装层。其中，电阻型和电容型压力传感器可实现静态与动态应变感知，但需要外部电源供电才能工作。虽然压电型与摩擦电型应变传感器可直接产生电压信号，工作时无需施加激励电压，但受限于工作原理，只能感知变化的动态应变，无法满足静态应变监测需求。因此，发展能够同时检测动态和静态应变的发电应变传感器具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种离子梯度发电型拉伸应变传感器及其制备方法，可同时满足静态应变与动态应变检测需求，无需外部电源供电，并且不会消耗传感器本身的材料。
本发明所采用的技术方案如下：
一种离子梯度发电型拉伸应变传感器，其特征在于，包括乳胶管，包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线，两个电极，以及包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸；所述弹力线穿过乳胶管，两个电极分别固定在弹力线/乳胶管两端，滤纸固定在其中一端弹力线的外部、对应电极的内部；所述第二吸湿敏感材料的吸湿性能优于第一吸湿敏感材料。
进一步地，所述两个电极设置在弹力线与乳胶管之间。
进一步地，所述第一吸湿敏感材料的导电性能优异。
进一步地，所述第一吸湿敏感材料具体为碳纳米管、碳黑中的一种。
进一步地，所述第二吸湿敏感材料具体为氯化锂、海藻酸钠、聚离子液体中的一种。
进一步地，所述弹力线的材质为涤纶或锦纶。
进一步地，所述电极为同种电极，具体为铜胶带、铝胶带、聚酯导电胶带、锌胶带、镁胶带中的一种。
进一步地，所述离子梯度发电型拉伸应变传感器在静态应变和动态应变下均有传感电流输出。
本发明还提出了所述离子梯度发电型拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）配置第二吸湿敏感材料饱和水溶液；
（2）将洁净的滤纸浸泡于第二吸湿敏感材料饱和水溶液中，经超声、干燥后，置于空气中，使其充分吸附空气中的水分子，得到包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸；
（3）配置第一吸湿敏感材料水分散液；
（4）将弹力线浸泡于第一吸湿敏感材料水分散液中，经超声、干燥后，得到包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线；
（5）将包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸包裹在包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线的一端，并在滤纸外部和弹力线的另一端引出电极，经乳胶管封装后，得到离子梯度发电型拉伸应变传感器。
进一步地，所述第一吸湿敏感材料水分散液的浓度为1 wt%~10 wt%。
本发明提出的离子梯度发电型拉伸应变传感器的工作原理为：
假设两个电极分别为第一电极和第二电极，第一电极固定有滤纸；由于在空气中，包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸会吸附大量的水分子至饱和，因而第一电极附近形成高湿区域，第二电极附近形成低湿区域，由于水分子电离会形成氢离子和氢氧根离子，进而在两个电极之间会形成离子梯度；氢离子从传感器中的高湿区域向低湿区域定向移动，进而在两个电极间输出电压/电流，实现自供电；通过拉伸弹力线/乳胶管，弹力线上包覆的第一吸湿敏感材料的间距增大，导致传感器的内阻增大，传感电流输出减小，实现应变传感。
此外，由于包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸会在空气中吸附大量的水分子至饱和，在应变传感过程中滤纸湿度会高于环境湿度，因而传感器不会受环境湿度影响，仅传感拉伸应变。
本发明的有益效果为：
本发明提出的一种离子梯度发电型拉伸应变传感器及其制备方法，基于离子梯度实现传感器的自供电，无需外部电源供电，并利用包覆第一吸湿敏感材料的弹力线实现应变检测，同时满足静态应变与动态应变的检测需求，此外在传感过程中不会消耗传感器本身的材料，提升传感器寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的离子梯度发电型拉伸应变传感器的三维透视图；
图2为本发明实施例1提出的离子梯度发电型拉伸应变传感器的左视图；
图3为本发明实施例1提出的离子梯度发电型拉伸应变传感器的截面图；
图4为本发明实施例1提出的离子梯度发电型拉伸应变传感器的主视图；
图5为本发明实施例1提出的离子梯度发电型拉伸应变传感器的俯视图；
图6为本发明实施例1提出的离子梯度发电型拉伸应变传感器的发电原理图；
图7为本发明实施例1提供的离子梯度发电型拉伸应变传感器连续5 h发电的电压曲线；
图8为本发明实施例1提供的离子梯度发电型拉伸应变传感器在10%拉伸应变下的响应/恢复曲线；
图9为本发明实施例1提供的离子梯度发电型拉伸应变传感器在不同拉伸应变下的电流响应；
图10为本发明实施例1提供的离子梯度发电型拉伸应变传感器应用于人体呼吸监测的响应/恢复曲线；
附图标记：
1为包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线，2为包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸，3为第一电极，4为乳胶管，5为第二电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种离子梯度发电型拉伸应变传感器，结构如图1~5所示，包括乳胶管4，包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线1，第一电极3，第二电极5，以及包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸2。
其中，包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线1穿过乳胶管4，第一电极3和第二电极5分别固定在包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线1/乳胶管4两端，并位于包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线1与乳胶管4之间；包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸2固定在第一电极3的内部、对应一端包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线1的外部；第二吸湿敏感材料的吸湿性能优于第一吸湿敏感材料，本实施例具体采用LiCl为第二吸湿敏感材料，碳纳米管为第一吸湿敏感材料；包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线1中弹力线的材质为涤纶，第一电极3和第二电极5采用铜胶带。
本实施例制备离子梯度发电型拉伸应变传感器的方法包括以下步骤：
（1）配置LiCl饱和水溶液；
（2）将洁净的滤纸浸泡于LiCl饱和水溶液中，经15 min超声、干燥后，置于空气中24 h，使其充分吸附空气中的水分子，得到包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸2；
（3）配置10 wt%的碳纳米管水分散液；
（4）将弹力线浸泡于碳纳米管水分散液中，经15 min超声、干燥后，得到包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线1；
（5）将包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸2包裹在包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线1的一端，并在包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸2外部引出第一电极3，包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线1的另一端引出第二电极5，经乳胶管4封装后，得到离子梯度发电型拉伸应变传感器。
在本实施例中，由于包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸2在空气中会吸附大量的水分子至饱和，因而第一电极3附近形成高湿区域，第二电极5附近形成低湿区域，进而在两个电极之间形成离子梯度；水分子电离形成的氢离子从传感器中的高湿区域向低湿区域定向移动，进而在两个电极间输出电压/电流，实现自供电；通过拉伸包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线1/乳胶管4，包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线1上包覆的第一吸湿敏感材料的间距增大，导致传感器的内阻增大，传感电流输出减小，实现应变传感。
此外，由于包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸2会在空气中吸附大量的水分子至饱和，在应变传感过程中滤纸湿度会高于环境湿度，因而传感器不会受环境湿度影响，仅传感拉伸应变。
图6展示了离子梯度发电型拉伸应变传感器的发电原理图。具有优异吸湿性能的滤纸吸附水分子后，水分子电离形成带正电荷的氢离子和带负电荷的氢氧根离子，带正电荷的氢离子向低湿区域定向移动，进而在传感器电极处产生电势差。
图7展示了传感器连续5 h发电的电压曲线，表明其可长时间稳定输出电压，实现稳定的自供电。
本实施例定义传感器的电流响应为ΔI/I0，其中I0为传感器在不受应变时的输出电流，ΔI为传感器受到应变时的电流变化。定义传感器的应变灵敏度GF=δ(ΔI/I0)/ δ(ε)，其中ε为传感器受到的拉伸应变，δ(·)表示很小的增量。
图8展示了传感器在10%拉伸应变下的响应/恢复曲线。在图中左侧方框所示的829ms的时间范围内，传感器受到的拉伸应变逐渐增大，其电流响应逐渐减小，表明其具有动态应变检测能力。在829 ms过后，传感器受到的拉伸应变保持不变，其电流响应也趋于稳定，证明其具有静态拉伸应变检测能力。在图中右侧方框所示的831 ms的时间范围内，传感器受到的拉伸应变逐渐趋近于0，其电流响应也逐渐趋近于0。可见本实施例提出的传感器在静态应变和动态应变下均有传感电流输出，实现对静态应变和动态应变的准确检测。
图9展示了传感器在不同拉伸应变下的电流响应。在0.5%~20%拉伸应变范围内，传感器的应变灵敏度为-2.84；在20%~100%拉伸应变范围内，传感器的应变灵敏度为-0.42。
图10展示了传感器应用于人体呼吸监测的响应/恢复曲线。将传感器固定于人体腹部，人在呼吸时腹部的凸起会导致传感器受到拉伸应变，而腹部在吸气收缩后传感器受到的拉伸应变逐渐趋近于0。因此，图中波形的一个周期对应人的一次呼吸过程。当人停止呼吸时（如27 s~40 s时），传感器的输出波形将不再出现周期性的上升和下降，表明传感器具有静态/动态应变检测能力。
上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种离子梯度发电型拉伸应变传感器，其特征在于，包括乳胶管，包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线，两个电极，以及包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸；所述弹力线穿过乳胶管，两个电极分别固定在弹力线/乳胶管两端，滤纸固定在其中一端弹力线的外部、对应电极的内部；所述第二吸湿敏感材料的吸湿性能优于第一吸湿敏感材料。
2.根据权利要求1所述离子梯度发电型拉伸应变传感器，其特征在于，所述两个电极设置在弹力线与乳胶管之间。
3.根据权利要求1所述离子梯度发电型拉伸应变传感器，其特征在于，所述第一吸湿敏感材料具体为碳纳米管、碳黑中的一种。
4.根据权利要求1所述离子梯度发电型拉伸应变传感器，其特征在于，所述第二吸湿敏感材料具体为氯化锂、海藻酸钠、聚离子液体中的一种。
5.根据权利要求1所述离子梯度发电型拉伸应变传感器，其特征在于，所述弹力线的材质为涤纶或锦纶。
6.根据权利要求1所述离子梯度发电型拉伸应变传感器，其特征在于，所述电极为同种电极，具体为铜胶带、铝胶带、聚酯导电胶带、锌胶带、镁胶带中的一种。
7.如权利要求1所述离子梯度发电型拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）配置第二吸湿敏感材料饱和水溶液；
（2）将洁净的滤纸浸泡于第二吸湿敏感材料饱和水溶液中，经超声、干燥后，置于空气中，使其充分吸附空气中的水分子，得到包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸；
（3）配置第一吸湿敏感材料水分散液；
（4）将弹力线浸泡于第一吸湿敏感材料水分散液中，经超声、干燥后，得到包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线；
（5）将包覆有第二吸湿敏感材料的滤纸包裹在包覆有第一吸湿敏感材料的弹力线的一端，并在滤纸外部和弹力线的另一端引出电极，经乳胶管封装后，得到离子梯度发电型拉伸应变传感器。
8. 根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述第一吸湿敏感材料水分散液的浓度为1 wt%~10 wt%。
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Also Published As
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|---|---|
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