新型柔性力学传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种新型柔性压电力学传感器，其由纳米纤维薄膜层和导电薄膜电极层组成，其中所述纳米纤维薄膜层由压电材料聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯-氟化烯烃共聚物制成，并且所述聚偏二氟乙烯-氟化烯烃共聚物中聚偏二氟乙烯的摩尔含量为55-85％，优选70-80％。本发明专利技术还提供了所述柔性力学传感器的制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型柔性力学传感器，具体地是一种压电力学传感器及其制备方法。
技术介绍
传感器是一种能够感受被测量变化信息并按照一定规律将变化信息转化为所需形式输出信号的器件或装置。传感器将测量的信号转化为其他所需形式信号，从而实现信息的感知、传输及处理，是实现自动检测和自动控制的基本要素。其中，力学传感器是最为·常见的一种。现有技术针对各种不同的应用提供了多种形式的力学传感器，如电阻式、电容式、压电式力学传感器等。其中电阻式和电容式为无源传感器需要外加电源，这样增加了器件电路设计和制作的复杂性。压电式传感器是有源器件，广泛应用于多种领域。现有技术中压电传感器件材料多为压电陶瓷，压电陶瓷具有良好的压电性能且原料价格较低，但是陶瓷材料的力学性能(如硬度大、弹性小、透气性差等)大大限制了此类器件在医疗、服饰及人体健康监测方面的应用。以聚偏二氟乙烯(PVDF)为代表的压电高分子材料在一定程度上克服了压电陶瓷在应用上的困难，然而现有的制作方法获得的塑性压电高分子薄膜，依然制约着器件的力学性能，无法完全满足在医疗、服饰等领域对器件高灵敏度和柔软度、透气性的要求。现有压电高分子制膜技术流程混合原料一成膜一拉伸一热处理一电晕极化一上电极。其中成膜过程利用现有的熔融法或溶剂挥发法，得到的薄膜柔透气性差且柔软度不足。此外，现有的技术为获得良好灵敏度，成膜后要进行拉伸和极化处理，使得工序增加，增加了处理复杂度,并相应地增加设备和工艺成本。因此，改善器件的力学性能，提高器件的灵敏度，提供一种满足医疗、服饰领域应用要求的柔软的、透气的、具有生物相容性的具有重大的现实意义。专利
技术实现思路
本专利技术的目的是改善传感器件的力学性能，兼顾器件灵敏度，提供一种满足医疗、服饰等领域对传感器件在灵敏度、柔软度、透气性及生物相容性方面要求的柔性力学传感器及其相关制备方法。在第一个方面，本专利技术提供了由纳米纤维薄膜层和导电薄膜电极层组成，其特征在于所述纳米纤维薄膜层由聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯-氟化烯烃共聚物制成；所述导电薄膜电极层由柔性多孔电极制成，其配置在所述纳米纤维薄膜层的表面和背面两侧上，其中所述聚偏二氟乙烯-氟化烯烃共聚物中聚偏二氟乙烯的摩尔含量为55-85%，优选70-80%。在第二个方面，本专利技术提供了一种制备压电力学传感器的方法，包括以下步骤I)将聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯-氟化烯烃共聚物溶解在有机溶剂中，得到8-20% (w/v)，优选10-15% (w/v)的待纺溶液，其中所述有机溶剂为聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯-氟化烯烃共聚物的良溶剂，且所述聚偏二氟乙烯-氟化烯烃共聚物中聚偏二氟乙烯的摩尔含量为55-85%，优选70-80% ；2)在静电纺丝装置中将步骤I)获得的待纺溶液静电纺丝，在所述静电纺丝装置的接收极板上得到纤维薄膜；和3)将步骤2)中得到的纤维薄膜在环境温度下干燥6_8h，然后将两层由柔性多孔电极制成的导电薄膜电极分别布置在干燥的纤维薄膜的表面和背面上，从而得到压电力学传感器。本专利技术的有益效果I.本专利技术提 供的新型力学传感器在灵敏度及力学特征方面具有良好的性能。2.本专利技术提供的方法将纺丝制膜和电场极化合二为一，与传统工艺(为了获得高灵敏度需要对薄膜进行先拉伸后极化操作)相比，工序减少，操作更加简单。3.本专利技术的方法将材料的纳米特性和压电性能有机结合，通过本专利技术的方法制成的纤维薄膜不仅具有质轻柔软、透气性好的特点，还具备良好的压电性能。这种压电纤维薄膜克服了陶瓷材料和塑性高分子膜存在的硬度高、透气性差等缺点，配以柔性多孔电极而得到具有柔软质轻、透气性和生物相容性的压力传感器件能够更好地满足医疗、服饰及人体健康监测领域的应用要求。附图说明图I为静电纺丝技术工作示意图。图2为实施案例组装传感器件结构示意图。图3为分别为实施例3 (图3a)、实施例4(图3b)、实施例5(图3c)、实施例6(图3d)、实施例7(图3e)和实施例8(图3f)制备的压电高分子纳米纤维薄膜电镜照片。图4为实施例5制备的压力传感器件的单次响应曲线图。图5为实施例5制备的压力传感器在不同频率压力下的响应曲线图。图6 为(A) BsPT 压电陶瓷，(B)钴酸锂(LiCoO2)压电陶瓷，(C)溶剂挥发法制备的P(VDF-TrFE)薄膜样品电镜照片。具体实施例方式定义和缩写PVDF :聚偏二氟乙烯。TrFE :三氟乙烯。P (VDF-TrFE):偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物。薄膜电极具有柔软、多孔结构的膜状电极。ITO-PET薄膜电极采用磁控溅射技术，在聚酯PET基底材料上溅射透明氧化铟锡(Indium-Tin Oxide, ΙΤ0)导电薄膜镀层并经高温退火处理得到的高技术产品。纳米纤维薄膜纳米级别纤维结构组成的无纺布形式薄膜。环境温度一般是指室温温度，即22 25V。生物相容性在本专利技术中是指该器件使用材料对动物和人体无害。本专利技术的原理本专利技术利用静电纺丝技术制备压电传感器件的感应材料，压电高分子溶液在纺丝过程中受到强电场的拉伸和极化作用。溶液在高强拉伸作用下迅速变形，在向接收极板运动的过程中形成连续的纳米级纤维；同时形成的纤维在强电场的极化作用下，极性晶体形成择优取向从而具备压电性能，随着溶剂的挥发便可在接收极板上得到压电高分子纳米纤维膜由于本专利技术提供的压电薄膜为纳米纤维薄膜，具备灵敏度高、质轻柔软、透气性好等优点；同时，本专利技术提供的方法将纺丝制膜和电场极化合二为一，与传统工艺(为了获得高灵敏度需要对薄膜进行先拉伸后极化操作)相比，工序减少，操作更加简单。本专利技术的制备压电力学传感器的方法主要包括以下步骤I.利用有机溶剂配制聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯-氟化烯烃共聚物的待纺溶液；2.将待纺溶液置于静电纺丝装置中将待纺溶液拉伸极化，形成压电纳米纤维薄膜；3.除去纤维薄膜残留的颗粒，并进行干燥除去残存溶剂；4.处理过的纤维薄膜与导电薄膜电极组装为压电传感器件。静电纺丝技术本专利技术方法基于静电纺丝技术，静电纺丝技术是一种新型制备纳米纤维技术，图I为静电纺丝装置的结构示意图，该装置包括高压电源I ;与高压电源相连的喷射器2 ；与喷头2对应的接收极板3。其中喷射器2包括储液腔21和与储液腔端部相连的喷头22，接收极板与喷头22的位置相对应。高压电源的正极与喷头22相连，负极与接收极板3相连且接地，由此喷头22与接收极板3之间形成高电压，喷头22处的溶液在高电场的作用下喷射形成纤维，并在接收极板3上成膜。压电力学传感器本专利技术提供的压电力学传感器件的结构如图2所示，其包括压电纳米纤维薄膜4 ；导电薄膜电极5;电极引线6。本专利技术的优选实施方案在本专利技术中，导电薄膜电极层优选由柔性多孔结构的导电材料制成，其可以选自刻蚀技术制备的传统材料电极，包括柔性基底上的金属或金属氧化物导电薄膜，如ITO-PET薄膜等；碳导电薄膜，包括碳导电胶带，石墨烯薄膜，碳纳米管薄膜等；导电高分子薄膜，包括聚吡咯，聚乙炔，掺杂复合材料薄膜等。根据本专利技术，对导电薄膜电极层的材料的选择没有限制，本领域技术人员可以根据具体的应用选择合适的材料，只要其可以与本专利技术制备的纳米纤维薄膜组合在一起形成压电传感器件，与纤维薄膜相匹配的导电薄膜电极层厚度一般为 100-1000nm。本专利技术的纳米纤维薄膜由聚偏二氟乙烯或聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电力学传感器，其由纳米纤维薄膜层和导电薄膜电极层组成，其特征在于所述纳米纤维薄膜层由聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯?氟化烯烃共聚物制成；所述导电薄膜电极层由柔性多孔电极制成，其配置在所述纳米纤维薄膜层的表面和背面两侧上，其中所述聚偏二氟乙烯?氟化烯烃共聚物中聚偏二氟乙烯的摩尔含量为55?85％，优选70?80％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐春叶，任广义，郑建明，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：