CN116773052A - 一种离子梯度发电型柔性压力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柔性压力传感器及其制备方法,属于柔性压力传感器和柔性可穿戴电子学技术领域,具体包括自上而下设置的顶电极,包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸,包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸,以及底电极;第一吸湿敏感材料与第二吸湿敏感材料的吸湿性能不同。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,并通过改变第一滤纸与第二滤纸之间的接触面积实现压力检测,同时满足静态压力与动态压力的检测需求,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
本发明属于柔性压力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柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
柔性压力传感器在人体生理体征监测、人体运动监测、机器人姿态识别、农作物生长监测等领域具有广阔的应用前景。目前,柔性压力传感器主要包括电阻型、电容型、压电型、摩擦电型和电化学型。比如,专利CN 116105901 A公布了一种薄膜压力传感器及其制备方法,该薄膜压力传感器的压力敏感层包括叠层设置的第一敏感薄膜层和第二敏感薄膜层。专利CN 116086656 A公布了一种电容式压力传感器,包括:衬底、介电层、第一电极、第二电极、电容薄膜以及绝缘纳米柱,介电层的中心设有通孔。专利CN 116035547 A公布了一种基于微结构压电薄膜的柔性压力传感器及制备方法,该柔性压力传感器从下至上包括紧密贴合的下层柔性基底、力敏结构层和上层柔性封装层。专利CN 115498915 A公开了一种基于摩擦纳米发电机的压力传感器及其制备方法、应用,包括正电产生端和负电产生端。专利CN 115342947 A公开了一种基于金属腐蚀效应的电化学压力传感器,包括固态电解质和分别与所述固态电解质相连的电极一和电极二。其中,电阻型和电容型压力传感器可实现静态与动态压力感知,但需要外部电源供电才能工作。虽然压电型与摩擦电型传感器可产生电压输出,但只能感知动态压力。电化学型传感器可同时满足静态与动态压力感知,也无需外部电源供电,但其在工作时会消耗传感器自身的材料,一旦材料耗尽将无法工作。
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柔性压力传感器及其制备方法,可同时满足静态压力与动态压力检测需求,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柔性压力传感器,其特征在于,包括自上而下设置的顶电极,包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸,包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸,以及底电极;所述第一吸湿敏感材料与第二吸湿敏感材料的吸湿性能不同。
进一步地,若所述第一吸湿敏感材料的吸湿性能优于第二吸湿敏感材料,则第二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氯化锂、海藻酸钠、聚离子液体中的一种。
进一步地,所述第二吸湿敏感材料具体为碳纳米管、碳黑中的一种。
进一步地,包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸的张数为1~3。
进一步地,包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸的张数为1~8。
进一步地,所述顶电极和底电极为同种电极,如铜胶带、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柔性压力传感器在静态压力和动态压力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柔性压力传感器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)配置第一吸湿敏感材料饱和水溶液;
(2)将洁净的第一滤纸浸泡于第一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,得到包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸;
(3)配置第二吸湿敏感材料水分散液;
(4)将洁净的第二滤纸浸泡于第二吸湿敏感材料水分散液中,经超声、干燥后,得到包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸;
(5)将顶电极、包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸、包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸以及底电极进行自上而下地组装,得到离子梯度发电型柔性压力传感器。
进一步地,所述第二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柔性压力传感器的工作原理为:
假设第一吸湿敏感材料的吸湿性能优于第二吸湿敏感材料,由于在空气中,包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸会吸附大量的水分子至饱和,因而第一滤纸形成高湿区域,第二滤纸形成低湿区域,由于水分子电离会形成氢离子和氢氧根离子,进而在第一滤纸与第二滤纸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,进而在顶电极和底电极之间输出电压/电流,实现自供电;通过对传感器施加纵向压力,使第一滤纸与第二滤纸之间的接触面积增大,传感器内部电子与离子导电通路增多,导致传感器的输出电压/电流增大,实现压力传感。
此外,由于包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸会在空气中吸附大量的水分子至饱和,在压力传感过程中第一滤纸的湿度会高于环境湿度,因而传感器不会受环境湿度影响,仅传感压力。
本发明的有益效果为:
本发明提出的一种离子梯度发电型柔性压力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,并通过改变第一滤纸与第二滤纸之间的接触面积实现压力检测,同时满足静态压力与动态压力的检测需求,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柔性压力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柔性压力传感器的正视图;
图3为本发明实施例1提出的离子梯度发电型柔性压力传感器的俯视图;
图4为本发明实施例1提出的离子梯度发电型柔性压力传感器的左视图;
图5为本发明实施例1提出的离子梯度发电型柔性压力传感器的发电机理图;
图6为本发明实施例1提供的离子梯度发电型柔性压力传感器连续5 h发电的电压曲线;
图7为本发明实施例1提供的离子梯度发电型柔性压力传感器在1 kPa压力下的响应/恢复曲线;
图8为本发明实施例1提供的离子梯度发电型柔性压力传感器在不同压力下的电流响应;
图9为本发明实施例1提供的离子梯度发电型柔性压力传感器应用于人体呼吸监测的响应/恢复曲线;
附图标记:
1为顶电极,2为包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸,3为包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸,4为底电极。
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柔性压力传感器,结构如图1~5所示,包括自上而下设置的顶电极1,包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸2,包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸3,以及底电极4。所述第一吸湿敏感材料与第二吸湿敏感材料的吸湿性能不同。
其中,第一吸湿敏感材料的吸湿性能优于第二吸湿敏感材料,且第二吸湿敏感材料的导电性能优异,本实施例具体采用LiCl为第一吸湿敏感材料,碳纳米管为第二吸湿敏感材料;包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸2包括1张,包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸3包括6张;顶电极1和底电极4采用聚酯导电胶带。
本实施例制备离子梯度发电型柔性压力传感器的方法包括以下步骤:
(1)配置LiCl饱和水溶液;
(2)将1张洁净的第一滤纸浸泡于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,得到包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸2;
(3)配置10 wt%的碳纳米管水分散液;
(4)将6张洁净的第二滤纸浸泡于碳纳米管水分散液中,经15 min超声、干燥后,得到包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸3;
(5)将顶电极1、1张包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸2、6张包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸3以及底电极4进行自上而下地组装,得到离子梯度发电型柔性压力传感器。
在本实施例中,由于在空气中,包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸2会吸附大量的水分子至饱和,因而包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸2形成高湿区域,包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸3形成低湿区域,进而在包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸2与包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸3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,进而在顶电极1和底电极4之间输出电压/电流,实现自供电;通过对传感器施加纵向压力,使包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸2与包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸3之间的接触面积增大,传感器内部电子与离子导电通路增多,导致传感器的输出电压/电流增大,实现压力传感。
此外,由于包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸2会在空气中吸附大量的水分子至饱和,在压力传感过程中包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸2的湿度会高于环境湿度,因而传感器不会受环境湿度影响,仅传感压力。
图5展示了离子梯度发电型柔性压力传感器的发电机理图。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6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为传感器在不受压力时的输出电流,ΔI为传感器受到压力时的电流变化。定义传感器的应变灵敏度GF=δ(ΔI/I0)/ δ(P),其中P为传感器受到的压力,δ(·)表示很小的增量。
图7展示了传感器在1 kPa压力下的响应/恢复曲线。在图中左侧方框所示的562ms的时间范围内,传感器受到的压力逐渐增大,其电流响应逐渐增大,表明其具有动态压力检测能力。在562 ms过后,传感器受到的压力保持不变,其电流响应也趋于稳定,证明其具有静态压力检测能力。在图中右侧方框所示的521 ms的时间范围内,传感器受到的压力逐渐趋近于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压力和动态压力下均有传感电流输出,实现对静态压力和动态压力的准确检测。
图8展示了传感器在不同压力下的电流响应。在0.1~4 kPa压力范围内,传感器的压力灵敏度为0.73 kPa-1;在4~50 kPa压力范围内,传感器的压力灵敏度为0.058 kPa-1;在50~100 kPa压力范围内,传感器的压力灵敏度为0.023 kPa-1。
图9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压力,而腹部在吸气收缩后传感器受到的压力逐渐趋近于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27s~38 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/动态压力检测能力。
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 (9)
1.一种离子梯度发电型柔性压力传感器,其特征在于,包括自上而下设置的顶电极,包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸,包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸,以及底电极;所述第一吸湿敏感材料与第二吸湿敏感材料的吸湿性能不同。
2.根据权利要求1所述离子梯度发电型柔性压力传感器,其特征在于,所述第一吸湿敏感材料的吸湿性能优于第二吸湿敏感材料。
3.根据权利要求2所述离子梯度发电型柔性压力传感器,其特征在于,所述第一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。
4.根据权利要求2所述离子梯度发电型柔性压力传感器,其特征在于,所述第二吸湿敏感材料具体为碳纳米管、碳黑中的一种。
5.根据权利要求2所述离子梯度发电型柔性压力传感器,其特征在于,包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸的张数为1~3。
6.根据权利要求2所述离子梯度发电型柔性压力传感器,其特征在于,包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸的张数为1~8。
7.根据权利要求2所述离子梯度发电型柔性压力传感器,其特征在于,所述顶电极和底电极为同种电极,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。
8.如权利要求2所述离子梯度发电型柔性压力传感器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)配置第一吸湿敏感材料饱和水溶液;
(2)将洁净的第一滤纸浸泡于第一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,得到包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸;
(3)配置第二吸湿敏感材料水分散液;
(4)将洁净的第二滤纸浸泡于第二吸湿敏感材料水分散液中,经超声、干燥后,得到包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸;
(5)将顶电极、包覆有第一吸湿敏感材料的第一滤纸、包覆有第二吸湿敏感材料的第二滤纸以及底电极进行自上而下地组装,得到离子梯度发电型柔性压力传感器。
9. 根据权利要求8所述制备方法,其特征在于,所述第二吸湿敏感材料水分散液的浓度为1 wt%~10 wt%。
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