[发明专利]新型柔性力学传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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→成膜→拉伸→热处理→电晕极化→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、具有生物相容性的新型柔性力学传感器及其制备方法具有重大的现实意义。

发明内容

本发明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，本发明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，本发明提供了一种制备压电力学传感器的方法，包括以下步骤：

1)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1)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。

本发明的有益效果

1.本发明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.本发明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.本发明的方法将材料的纳米特性和压电性能有机结合，通过本发明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1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。