[實(shí)用新型]一種柔性應(yīng)變傳感裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201120457438.4
• 申請(qǐng)日: 2011-11-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN202329534U
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周軍;肖旭;袁龍炎;鐘俊文;王中林
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01B7/16
• 分類(lèi)號(hào): G01B7/16
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專(zhuān)利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)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(lái)，由于當(dāng)前社會(huì)對(duì)于便攜式的商務(wù)電子產(chǎn)品的日益增長(zhǎng)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(gè)研究熱點(diǎn)。可拉伸式電子器件具備了代替可拉伸、可任意變形物體的能力。通過(guò)使用可拉伸和柔性材料來(lái)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(lái)，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(shí)時(shí)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(guò)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(guò)使用應(yīng)變傳感裝置來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控建筑物的狀態(tài)是很有必要的。一些常見(jiàn)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(wú)一例外的表現(xiàn)出只能承受很小的應(yīng)變，當(dāng)超過(guò)這個(gè)應(yīng)變后，應(yīng)變傳感裝置就面臨著損壞的危險(xiǎn)。具備超高柔性和拉伸性的應(yīng)變傳感裝置將會(huì)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(gè)很大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)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(shí)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(guò)電紡法制備的聚合物。

本實(shí)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(zhǎng)氧化鋅前后的透射率。這種新型應(yīng)變傳感裝置可以探測(cè)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(shí)可以應(yīng)用在人體快速運(yùn)動(dòng)測(cè)試中。另外，器件可以通過(guò)太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)，這使得器件具備了成為戶外自驅(qū)動(dòng)傳感器系統(tǒng)的潛在應(yīng)用。

本實(shí)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(zhǎng)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(jiǎn)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(cè)和人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)控；另外，由于器件具有半透明性，并可以由太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)，未來(lái)將可以應(yīng)用于戶外自驅(qū)動(dòng)傳感器系統(tǒng)中。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)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(yùn)動(dòng)監(jiān)控測(cè)試曲線；

圖6為器件在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)下的電流響應(yīng)曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)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(guò)電紡法制備的聚合物。電極3為鈦和銀電極。

本實(shí)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(shí)，有機(jī)溶劑為：二甲基甲酰胺(DMF)和甲苯，每克PS顆粒需要1～2mL?DMF和1～2mL甲苯；

當(dāng)納米纖維為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)時(shí)，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(shí)，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(guò)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℃恒溫烘箱中0.5～2個(gè)小時(shí)均可固化，固化后將PDMS切割作為襯底。