專利名稱：一種柔性應(yīng)變傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于傳感器技術(shù)，具體涉及一種柔性應(yīng)變傳感裝置。
背景技術(shù)：
近年來，由于當(dāng)前社會對于便攜式的商務(wù)電子產(chǎn)品的日益增長的需求，有關(guān)透明可拉伸式電子器件的研究已經(jīng)成為了一個研究熱點?？衫焓诫娮悠骷邆淞舜婵衫?、可任意變形物體的能力。通過使用可拉伸和柔性材料來代替剛性襯底，目前在光電子、電子機(jī)械等領(lǐng)域已經(jīng)制作出了可拉伸式電子器件。未來，可拉伸式電子器件具備了在很多領(lǐng)域取得重要應(yīng)用的潛力，在可折疊式傳感器、可彎折式顯示器、實時監(jiān)控和醫(yī)學(xué)診斷等方面都有重要的用途。建筑物、橋梁和其他的基礎(chǔ)設(shè)施在他們的使用過程中要經(jīng)常承受像颶風(fēng)和地震這樣的自然災(zāi)害。為了避免重大的損失，通過使用應(yīng)變傳感裝置來實時監(jiān)控建筑物的狀態(tài)是很有必要的。一些常見的剛性材料例如超薄硅已經(jīng)用于制造應(yīng)變傳感裝置了，但是這些材料無一例外的表現(xiàn)出只能承受很小的應(yīng)變，當(dāng)超過這個應(yīng)變后，應(yīng)變傳感裝置就面臨著損壞的危險。具備超高柔性和拉伸性的應(yīng)變傳感裝置將會在人體健康監(jiān)控、高敏感性機(jī)器人傳感器、智能外科手術(shù)手套等領(lǐng)域扮演重要的角色。近幾年，基于納米管/納米線聚合物結(jié)構(gòu)的柔性或可拉伸性應(yīng)變傳感裝置已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。但是，制作透明的且能耐超高應(yīng)變的應(yīng)變傳感裝置依然是個很大的挑戰(zhàn)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供了一種柔性應(yīng)變傳感裝置，該傳感器具有高耐久性、快速響應(yīng)和高靈敏性。本實用新型提供的一種應(yīng)變傳感裝置，其特征在于，在柔性聚合物襯底上設(shè)置有功能層，功能層是由ZnO和納米纖維構(gòu)成的呈網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)，在功能層兩邊為電極，電極為鈦和銀電極；柔性聚合物襯底為聚二甲基硅氧烷PDMS ；納米纖維為通過電紡法制備的聚合物。本實用新型提供了在聚二甲基硅氧烷襯底上制備基于氧化鋅納米線/聚苯乙烯納米纖維雜化結(jié)構(gòu)的耐超高應(yīng)變半透明拉伸式力學(xué)傳感器的方法。表征了其在生長氧化鋅前后的透射率。這種新型應(yīng)變傳感裝置可以探測到高達(dá)50%的力，并且具有高耐久性、快速響應(yīng)和高靈敏性。器件同時可以應(yīng)用在人體快速運動測試中。另外，器件可以通過太陽能電池驅(qū)動，這使得器件具備了成為戶外自驅(qū)動傳感器系統(tǒng)的潛在應(yīng)用。本實用新型的技術(shù)效果體現(xiàn)在在柔性聚合物襯底上電紡上柔性納米纖維并生長氧化鋅納米線以及制備柔性半透明應(yīng)變傳感裝置的方法簡單，所得器件具有高耐久性、快速響應(yīng)和高靈敏性，可用于精密應(yīng)變探測和人體運動監(jiān)控；另外，由于器件具有半透明性，并可以由太陽能電池驅(qū)動，未來將可以應(yīng)用于戶外自驅(qū)動傳感器系統(tǒng)中。
圖1為本實用新型提供的柔性半透明應(yīng)變傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為ZnO納米線/PS納米纖維雜化結(jié)構(gòu)的SEM圖片；圖3為純的PDMS襯底和整體器件的透射率曲線；圖4為器件在不同拉伸狀態(tài)下的電流-電壓曲線和電流響應(yīng)曲線；圖5為人體運動監(jiān)控測試曲線；圖6為器件在太陽能驅(qū)動下的電流響應(yīng)曲線。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施實例對本實用新型作詳細(xì)說明。如圖1所示，本實用新型提供的柔性半透明應(yīng)變傳感裝置的結(jié)構(gòu)為在柔性聚合物襯底1上設(shè)置有網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的功能層2，在功能層2兩邊為電極3。柔性聚合物襯底1為聚二甲基硅氧烷(PDMS)。功能層2是由ZnO和納米纖維構(gòu)成的呈網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)，納米纖維可以選擇聚苯乙烯(PS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚偏二氟乙烯(PVDF)等可以通過電紡法制備的聚合物。電極3為鈦和銀電極。本實用新型提供的制備方法的步驟如下1.將納米纖維溶于有機(jī)溶劑中，攪拌至溶液澄清。將所得溶液轉(zhuǎn)移到針管中，在襯底上進(jìn)行電紡。當(dāng)納米纖維為聚苯乙烯(PS)時，有機(jī)溶劑為二甲基甲酰胺(DMF)和甲苯，每克PS顆粒需要1 anL DMF和1 2mL甲苯；當(dāng)納米纖維為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)時，有機(jī)溶劑為乙醇，每克PVP粉末需要8 12mL乙醇；當(dāng)納米纖維為聚偏二氟乙烯(PVDF)時，有機(jī)溶劑為二甲基甲酰胺(DMF)溶液和丙酮，每克PVDF粉末需要2 4mL DMF和5 9mL丙酮；襯底的制作過程將PDMS和固化劑按照體積比2 1 20 1的比例混合，放置在40 120°C恒溫烘箱中0. 5 2個小時均可固化，固化后將PDMS切割作為襯底。2.配制0. 02 0. 04mol/L的醋酸鋅甲醇溶液和0. 005 0. 02mol/L氫氧化鉀甲醇溶液，按體積比3 1 1.5 1混合，所得溶液需要在60°C 80°C攪拌；醋酸鋅甲醇溶液攪拌的同時，將配制好的氫氧化鉀甲醇溶液滴加進(jìn)去，并且攪拌1. 5 4個小時；納米顆粒溶液準(zhǔn)備好后，將柔性聚合物襯底浸泡在溶液中，使得ZnO納米顆粒附著在納米纖維上，溶液播種即可完成。3.配制硝酸鋅和六亞甲基四胺(HMTA)混合溶液，混合溶液中硝酸鋅的濃度為10 30mol/L，六亞甲基四胺(HMTA)的濃度為10 30mol/L，加入氨水來調(diào)節(jié)PH值至堿性。將柔性聚合物襯底浮在溶液表面，60 115°C反應(yīng)12 20小時即得到ZnO納米線/納米纖維雜化結(jié)構(gòu)。4.在SiO納米線/納米纖維雜化結(jié)構(gòu)薄膜的兩端分別磁控濺射金屬電極，并引線和封裝，得到柔性半透明應(yīng)變傳感裝置器件。下面以實例說明。實例1 [0028]1.將IOmL PDMS和ImL固化劑混合，放置在60°C恒溫烘箱中1個小時進(jìn)行固化。固化后將PDMS切割成1. 5cm*0. 5cm尺寸備用。2.將0. 7g PS顆粒溶于3mL 二甲基甲酰胺(DMF)和甲苯混合溶液(體積比1 1)中，攪拌3個小時至溶液澄清。將所得溶液轉(zhuǎn)移到針管中采用0. 003mm/s的推進(jìn)速度，將PS均勻紡到PDMS上。3.配制0. 03mol/L的醋酸鋅甲醇溶液125mL和0. 01mol/L氫氧化鉀甲醇溶液65mL，，所得溶液需要在60°C攪拌；醋酸鋅甲醇溶液攪拌的同時，將配制好的氫氧化鉀甲醇溶液滴加進(jìn)去，攪拌2個小時；納米顆粒溶液準(zhǔn)備好后，將柔性聚合物襯底浸泡在溶液中，使得ZnO納米顆粒附著在納米纖維上。4.配制32mol/L硝酸鋅水溶液50mL和32mol/L六亞甲基四胺(HMTA)水溶液50mL，按體積比1 1混合并加入氨水來調(diào)節(jié)PH值至10. 9。將柔性聚合物襯底浮在溶液表面，95°C反應(yīng)14小時即得到ZnO納米線/納米纖維雜化結(jié)構(gòu)。5.在ZnO納米線/納米纖維雜化結(jié)構(gòu)薄膜的兩端分別磁控濺射鈦電極GOnm)，銀電極(IOOnm)，并引線和封裝，得到柔性半透明應(yīng)變傳感裝置器件。對實例1制備的器件，用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行分析，確定納米纖維上氧化鋅納米線的形貌、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等，并測試了樣品的機(jī)電響應(yīng)特性、透射率等。
以下結(jié)合附圖進(jìn)行說明。圖2所示為ZnO納米線/PS納米纖維雜化結(jié)構(gòu)的SEM圖片。從圖中可以看到，ZnO納米線纏繞著PS的軸向生長，形成“納米刷子”結(jié)構(gòu)。圖3所示為單純的PDMS薄膜4和在PDMS薄膜上合成ZnO納米線/PS納米纖維雜化結(jié)構(gòu)5后的透射率曲線。從圖中可以看出，在可見光范圍內(nèi)，PDMS薄膜的透光性非常好，而生長完ZnO納米線/PS納米纖維雜化結(jié)構(gòu)后，器件具備了半透明性。圖4所示為不同拉伸狀態(tài)下，應(yīng)變傳感裝置的電流-電壓曲線和在恒定頻率外力驅(qū)動下的電流-時間相應(yīng)曲線。從圖(a)中可以看到，隨著拉力的增加，力學(xué)傳感器的電流也隨之線性減小。圖(b)可以看出當(dāng)器件隨著恒定頻率外力拉伸和恢復(fù)時，電流響應(yīng)速度非?？?，并且可以恢復(fù)到原始電流位置。以上結(jié)果說明ZnO納米線/PS納米纖維雜化結(jié)構(gòu)力學(xué)傳感器能承受較大的拉力，并且可以用來探測小范圍、高靈敏、快速響應(yīng)力學(xué)信號。圖5所示為柔性力學(xué)傳感器應(yīng)用于人體運動測試。將力學(xué)傳感器固定在手指上，手指實現(xiàn)彎曲6和恢復(fù)7兩個動作，每個動作都持續(xù)20s，實時測量電流變化。從圖中可以看出在任意狀態(tài)下，電流基本保持不變。在不同的狀態(tài)之間變換時，電流迅速變化，并且在相同的狀態(tài)下，電流基本一致。以上結(jié)果說明柔性力學(xué)傳感器在人體運動監(jiān)控中具有良好的應(yīng)用前景，并且可以進(jìn)而應(yīng)用到仿真人體皮膚、智能手術(shù)手套等領(lǐng)域。圖6描述了在太陽能電池驅(qū)動下柔性力學(xué)傳感器的電流響應(yīng)。用太陽光作為能源，可以滿足當(dāng)前綠色環(huán)保低碳的要求，并且可以用來實現(xiàn)戶外自驅(qū)動力學(xué)傳感系統(tǒng)。使用太陽光電池提供能源，恒定頻率拉伸狀態(tài)下，柔性力學(xué)傳感器表現(xiàn)了出了很好的穩(wěn)定性，在相同狀態(tài)下(拉伸或者恢復(fù))電流保持了很好的一致性，并且響應(yīng)速度依然非?？臁纳鲜龇治隹梢缘贸鼋Y(jié)論，本實用新型應(yīng)用在柔性聚合物襯底上合成ZnO納米線/納米纖維雜化結(jié)構(gòu)制備的柔性應(yīng)變傳感裝置，其具有半透明性、高耐久性、快速響應(yīng)和高靈敏性，可用于精密力學(xué)探測、人體運動監(jiān)控和醫(yī)療監(jiān)控，將在未來戶外自驅(qū)動傳感器系統(tǒng)具有應(yīng)用前景。任何可以通過電紡合成出來的聚合物和任何可以通過水熱法生長的金屬、金屬氧化物，通過此方法均可以制作出柔性力學(xué)傳感器。 本實用新型不僅局限于上述具體實施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本實用新型公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本實用新型，因此，凡是采用本實用新型的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本實用新型保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求1. 一種應(yīng)變傳感裝置，其特征在于，在柔性聚合物襯底上設(shè)置有功能層，功能層是由 ZnO和納米纖維構(gòu)成的呈網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)，在功能層兩邊為電極，電極為鈦和銀電極；柔性聚合物襯底為聚二甲基硅氧烷PDMS ；納米纖維為通過電紡法制備的聚合物。
專利摘要本實用新型公開了一種柔性應(yīng)變傳感裝置。在柔性聚合物襯底上設(shè)置有功能層，功能層是由ZnO和納米纖維構(gòu)成的呈網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)，在功能層兩邊為電極，電極為鈦和銀電極。在聚二甲基硅氧烷襯底上制備基于氧化鋅納米線/聚苯乙烯納米纖維雜化結(jié)構(gòu)的耐超高應(yīng)變半透明拉伸式力學(xué)傳感器的方法。表征了其在生長氧化鋅前后的透射率。本實用新型可以探測到高達(dá)50％的力，并且具有高耐久性、快速響應(yīng)和高靈敏性。器件同時可以應(yīng)用在人體快速運動測試中。另外，器件可以通過太陽能電池驅(qū)動，這使得器件具備了成為戶外自驅(qū)動傳感器系統(tǒng)的潛在應(yīng)用。本實用新型簡單、價格低廉，應(yīng)變傳感器具備半透明、耐高應(yīng)變、靈敏度高和響應(yīng)快等特征。
文檔編號G01B7/16GK202329534SQ201120457438
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者周軍, 王中林, 肖旭, 袁龍炎, 鐘俊文 申請人:華中科技大學(xué)