可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机及柔性传感器制造技术

本发明专利技术公开了可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机及柔性传感器。一种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机包括层叠设置的柔性基底、热敏电极和具有金字塔形微纳结构的摩擦层。本发明专利技术还提供了一种包括该摩擦纳米发电机的可同时检测温度和压力的柔性传感器。本发明专利技术提供的柔性传感器以单电极模式摩擦纳米发电机工作时可检测压力，且其电极电阻随温度升高而降低的性能可用于检测温度。本发明专利技术所制作的传感器具有良好的柔性，可同时检测温度和压力且两种信号互不干扰，拥有高的温度传感及压力传感灵敏度，良好的工作稳定性以及长期重复性，可自供电无需外部电源等特点。

【技术实现步骤摘要】
可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机及柔性传感器
本专利技术涉及纳米材料及功能器件制备
，特别是涉及一种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机及柔性传感器。
技术介绍
柔性可穿戴传感器因其在可穿戴电子、人造皮肤、人体运动与健康监测、人机界面等领域的广泛应用而受到越来越多的关注。近年来，可穿戴传感器的发展方向越来越趋向于多功能传感器，这是因为在许多领域，为了准确、全面地理解和控制物体或环境，往往需要同时测量多个物理量。在众多的多功能传感器中，能够同时检测温度和压力的传感器备受关注，这是因为温度和压力传感是人工智能和可穿戴设备的关键功能之一。温度是自然界最常见的感知物理量之一，而人体温度在监测人类活动和决定人类健康方面起着重要作用。在压力传感方面，报道了基于压电纳米发电机、压阻效应和摩擦纳米发电机的可穿戴压力传感器。基于摩擦纳米发电机(TENG)的压力传感器通常工作在单电极模式或双电极模式下，具有灵活性强、重量轻、选材多样、制备工艺简单等优点，是可穿戴电子设备的理想选择。当TENG用作压力传感器时，电荷是由外部物体和传感器之间的接触和摩擦产生的。不同的接触压力会导致不同的接触面积和不同的电荷量。然而，如何获得既具有灵活性又具有高灵敏度，同时输出两种互不干扰的信号的传感器是一个挑战。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的问题，本专利技术的目的之一在于提供一种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机，可以实现同时检测温度压力两种信号且两种信号相互之间互不干扰；本专利技术的目的之二在于提供这种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机的制备方法；本专利技术的目的之三在于提供一种可同时检测温度和压力的柔性传感器。本专利技术的构思如下：构建一种柔性可穿戴的能够同时检测温度和压力，并输出两种互不干扰的信号的多功能传感器。这种传感器利用一种基于热敏电阻材料的复合热敏电极监测温度的变化，利用单电极模式的摩擦纳米发电机检测压力，两者的结合可以构成一种可同时检测温度和压力的传感器。该传感器具有柔性可穿戴，能同时检测压力和温度，两种信号互不干扰，且灵敏度高，长期稳定性及重复性能好，无需外接电源。为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：本专利技术第一方面提供了一种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机。一种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机包括层叠设置的柔性基底、热敏电极和具有金字塔形微纳结构的摩擦层。优选的，这种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机中，所述柔性基底为柔性聚合物。优选的，这种摩擦纳米发电机的柔性基底中，所述柔性聚合物选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯弹性体、尼龙弹性体、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯中的至少一种；进一步优选的，柔性基体的柔性聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、尼龙弹性体、聚酰亚胺中的至少一种。在本专利技术一些优选的具体实施方式中，柔性基体的柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷。优选的，这种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机中，所述热敏电极为负温度系数热敏电极。优选的，所述负温度系数热敏电极的制备原料包括还原氧化石墨烯(rGO)、负温度系数热敏陶瓷颗粒和粘结剂。更优选的，所述负温度系数热敏陶瓷颗粒包括钛酸铋纳米颗粒、NiMn2O4纳米颗粒、NiO纳米颗粒中的至少一种；最优选的，负温度系数热敏陶瓷颗粒为钛酸铋纳米颗粒。本专利技术这种热敏电极所优选的制备原料中，钛酸铋纳米颗粒具有非常高的温度灵敏度，但是其导电率较低，且柔韧性较差；而还原氧化石墨烯虽然温度灵敏度较低，却具有很高的导电率及柔韧性。将钛酸铋纳米颗粒和还原氧化石墨烯两者混合使用，能够实现在使用温度区间内，电极电阻变化不会对摩擦纳米发电机的输出造成影响，进而实现同时检测温度和压力且两种信号互补干扰，同时可保证较高的温度灵敏度。采用粘结剂能使电极更好的成型，并增强电极的柔性和耐久度。优选的，这种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机中，所述具有金字塔形微纳结构的摩擦层为具有金字塔形微纳结构的柔性聚合物。优选的，这种摩擦纳米发电机的摩擦层中，所述柔性聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、尼龙弹性体、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯中的至少一种；进一步优选的，摩擦层的柔性聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、尼龙弹性体、聚酰亚胺中的至少一种。在本专利技术一些优选的具体实施方式中，摩擦层的柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷，即摩擦层为具有金字塔形微纳结构的聚二甲基硅氧烷。优选的，这种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机是基于单电极模式。本专利技术第二方面提供了上述可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机的制备方法。一种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：制作表面具有倒金字塔微纳结构的模具，将柔性聚合物溶液注模成型，得到表面带有金字塔形微纳结构的柔性聚合物膜；采用柔性聚合物制成柔性基底；采用还原氧化石墨烯、钛酸铋纳米颗粒和粘结剂为原料，制成电极浆料；在柔性基底上涂覆电极浆料，制成热敏电极，再接入导线，然后粘结表面带有金字塔形微纳结构的柔性聚合物膜，形成摩擦层，得到上述组成的可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机。这种摩擦纳米发电机的制备方法中，关于“制作表面具有倒金字塔微纳结构的模具，将柔性聚合物溶液注模成型，得到表面带有金字塔形微纳结构的柔性聚合物膜”的制备步骤进一步说明如下：所述表面具有倒金字塔微纳结构的模具是通过对硅片表面进行刻蚀得到。通过刻蚀的方法可以在硅片获得微米/纳米级别的倒金字塔结构。优选的，所述刻蚀的方法为光刻法，如干法蚀刻。优选的，所述刻蚀硅片的具体方法是：利用干法蚀刻工艺对硅片进行各向异性蚀刻，在硅片表面形成凹进的金字塔结构。优选的，在刻蚀硅片后，还包括清洗，以及气相硅烷化的步骤。优选的，所述清洗的溶剂可选用丙酮、异丙醇。优选的，所述气相硅烷化具体是采用硅烷对硅片进行气相硅烷化。通过对刻蚀好的硅片进行气相硅烷化，可以使其在后续处理步骤中避免柔性聚合物和硅片的粘结。优选的，所述气相硅烷化所用的硅烷为烷基卤代硅烷；进一步优选的，烷基卤代硅烷选自三甲基氯硅烷、三乙基氯硅烷中的至少一种。优选的，所述硅片选用p型的硅片，如p型(100)硅片。优选的，将柔性聚合物溶液浇注到表面具有倒金字塔微纳结构的模具中，成型后，得到表面带有金字塔形微纳结构的柔性聚合物膜。浇注的具体方法可以是旋涂。优选的，所述成型的方法为干燥；进一步优选的，成型的方法是在70℃～90℃下干燥；干燥的时间优选为45min～70min。优选的，所述柔性聚合物溶液为聚二甲基硅氧烷溶液，是由聚二甲基硅氧烷母液与固化剂按质量比(8～12)：1组成。优选的，所述表面带有金字塔形微纳结构的柔性聚合物膜具体为表面带有金字塔形微纳结构的聚二甲基硅氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦纳米发电机包括层叠设置的柔性基底、热敏电极和具有金字塔形微纳结构的摩擦层。/n

【技术特征摘要】
1.一种可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦纳米发电机包括层叠设置的柔性基底、热敏电极和具有金字塔形微纳结构的摩擦层。


2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述柔性基底为柔性聚合物；优选的，所述柔性聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、尼龙弹性体、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述热敏电极为负温度系数热敏电极；优选的，所述负温度系数热敏电极的制备原料包括还原氧化石墨烯、负温度系数热敏陶瓷颗粒和粘结剂；更优选的，所述负温度系数热敏陶瓷颗粒包括钛酸铋纳米颗粒、NiMn2O4纳米颗粒、NiO纳米颗粒中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述具有金字塔形微纳结构的摩擦层为具有金字塔形微纳结构的柔性聚合物；优选的，所述柔性聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、尼龙弹性体、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯中的至少一种。


5.根据权利要求1至4任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦纳米发电机基于单...

【专利技术属性】
技术研发人员：衣芳，饶继弘，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44