[發明專利]一種撓曲電柔性納米曲率傳感器及其制備和測試方法

在審

• 申請號: 202011453883.3
• 申請日: 2020-12-12
• 公開（公告）號: CN112611317A
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 胡淑玲;劉帥成;梁旭;范航海;于亦文;蘭夢蝶
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01B7/28
• 分類號: G01B7/28;B82Y30/00;B82Y15/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發明公開了一種撓曲電柔性納米曲率傳感器及其制備和測試方法，該柔性曲率傳感器利用固相燒結法制備納米顆粒，經過表面改性處理后均勻分散在柔性基體內形成復合柔性納米高彈體。通過顆粒表面改性、調節質量參雜配比等工藝參數，可獲得顆粒分布均勻、10％?50％不同質量比顆粒摻雜的撓曲電柔性納米曲率傳感器，該柔性曲率傳感器克服了傳統傳感器在曲率監測方面的不足，使得整體變形能力與輸出響應得以同步提升。本發明柔性曲率傳感器響應速率快、幅值高、彎曲能力強、工藝簡單且成本低廉，其可推動該曲率傳感器在人體運動監測、電子皮膚、智能機器人以及微納機電系統等領域的應用。

技術領域

本發明涉及傳感監測技術領域，特別涉及基于撓曲電柔性納米曲率傳感器及其制備和測試方法。

背景技術

自然界生物自身帶有許多類似傳感、驅動的能力，通過自身運動來控制、感知外界的變化。近年來，基于這種傳感、驅動生物特性的材料，在人體健康監測、電子皮膚、智能機器人以及微納機電系統等領域有著廣泛的應用。大部分的傳感器應用于運動監測只局限于拉伸和壓縮的監測，對于彎曲曲率監測而言，常見的傳感器，最大的局限在于應用傳統的無機材料，本身的脆性大、柔韌性差無法進行彎曲變形，或者采用柔性好、可延展的有機材料但通常輸出響應低、傳感驅動性能差等。相較而言，有機+無機復合材料兼具兩種材料的優點，進行結合制備出性能優異的柔性材料，兼具良好的彎曲變形和輸出響應，在面對曲率監測的一大難題上，實現響應速率與變形幅值的同步提升。

對于撓曲電柔性納米曲率傳感器，其傳感原理在于當傳感器受力產生彎曲時，柔性高彈體因變形產生應變梯度，從而導致基體中具有鈣鈦礦晶胞結構的納米顆粒自發極化，使柔性高彈體上下表面分別產生正負電荷，從而實現彎曲變形過程中撓曲電信號的輸出。因此，該曲率傳感器的響應速率與變形能力分別取決于顆粒摻雜質量比的多少、顆粒分布均勻程度以及傳感器的彎曲變形程度。近年的研究結果表明，撓曲電效應在微納尺度上會表現出更出色的力-電耦合特性。因此，采用納米顆粒摻雜柔性基體可以提高整個柔性曲率傳感器的輸出性能，表現出更高的靈敏度。表面改性的納米顆粒在柔性基體中分散均勻，為變形后納米顆粒自發極化產生的電場提供更多的連接通道。因此，顆粒在基體中分布均勻提升了傳感器的輸出性能和敏感度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種撓曲電柔性納米曲率傳感器及其制備和測試方法，以解決背景技術中所述的響應信號輸出與變形能力不可同時提升的技術問題。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種撓曲電柔性納米曲率傳感器，所述傳感器由柔性高彈體4貼附在柔性高彈體4上下表面的柔性電極3以及與柔性電極3連接的導線組成，所述柔性高彈體4由表面改性納米顆粒1均勻摻雜在柔性基體2中形成，所述表面改性納米顆粒1由固相燒結法制備的納米顆粒經表面改性后形成；當傳感器受力產生彎曲時，柔性高彈體4因變形產生應變梯度，從而導致柔性基體中表面改性納米顆粒自發極化，使柔性高彈體4上下表面分別產生正負電荷，從而實現彎曲變形過程中撓曲電信號的輸出，輸出靈敏度高。

所述柔性高彈體4的厚度為180μm-240μm，柔性電極材料3的厚度為0.1μm-0.2μm。

所述表面改性納米顆粒1為具有鈣鈦礦晶胞結構的材料。

所述柔性基體2是聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯或環氧樹脂。

所述柔性電極3是鋁箔、銀箔或金箔的金屬箔材或鍍有導電電極的聚合物薄膜。