[发明专利]一种柔性压电应力传感器的制备方法及其产品

说明书

本发明属于柔性压电应力传感器相关技术领域，并公开了一种柔性压电应力传感器的制备方法，包括：在基体上蒸镀银电极制备得到底电极；压电层是溶液旋涂方法得到的二甲基硅氧烷包覆10～30wt.％压电纳米片，压电纳米片由化学合成方法制备钇掺杂的氧化锌构成；在压电层表面蒸镀形成顶电极，同时形成三明治构造体；将三明治构造体从玻璃基体上剥离下来，用微米级的铜线将上下电极引出，最后通过PET薄膜将电极封装得到柔性压电薄膜传感器。本发明还公开了相应的产品。通过本发明，提供了一种新型的制备路线，同时具有柔性好、结构简单、稳定性好、灵敏度高等优点，因而尤其适用于人体健康监测、仿生机器人等领域。

技术领域

本发明属于柔性压电应力传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种柔性压电应力传感器的制备方法及其产品，其能够通过全新的制备路线来显著改善传感器的力学性能，同时兼顾灵敏度和输出响应，并尤其适用于人体皮肤和仿生机器人的触觉传感应用。

背景技术

传感器是物联网的关键技术之一，发展柔性、高灵敏和高稳定性的传感器存在巨大的挑战。目前已经提出了一些基于压电陶瓷的应力传感器，这类现有产品的压电性能优异，但是脆度大，形变量通常低于3％。

针对此问题，检索发现，现有技术中已经提出了一些基于氧化锌纳米颗粒的柔性传感器制作方案，由于氧化锌具有纤锌矿结构，晶体结构的不对称性使其具有压电性，同时相比于传统的钙钛矿型压电陶瓷能够在脆度方面获得改善。例如，CN201710290746公开了一种氧化锌基微纳米纤维阵列柔性压力传感器的制备方法，其中采用近场电纺制得的PVDF/ZnO复合微纳米纤维作为敏感材料，然后设置于柔性绝缘基底表面，敏感材料的两端分别设置电极；又如，CN201110210639公开了一种柔性半透明应变传感器的制备方法，其中提出可在PDMS(聚二甲基硅氧烷)衬底上制备ZnO纳米线/聚苯乙烯纳米纤维杂化结构。

然而，进一步的研究表明，上述基于氧化锌纳米颗粒及柔性有机聚合物的改进方案仍具备以下的缺陷或不足：首先，未掺杂ZnO的压电系数相对较低，其制得的柔性传感器压电性能有待提高；其次，在制备工艺方面，CN201110210639的纳米纤维制备复杂，ZnO颗粒的播种困难，均匀性有待提高，因此仍存在较多的不足；最后，在所获得的最终产品性能方面，CN201710290746以PVDF/ZnO为功能层，但是PVDF压电高分子存在五种晶型，仅β晶型具有最佳的性能，在复杂环境下使用时存在晶型转变和性能退化，因而同样存在改进的迫切性。相应地，本领域亟需对此作出进一步的改进，以便符合更高精度及稳定性要求的柔性压电应力传感器的制备需求。

发明内容

针对现有技术的以上不足之处和改进需求，本发明提供了一种柔性压电应力传感器的制备方法及其产品，其中通过对整个制备工艺路线重新进行了设计，采取在高分子基体上嵌入掺杂特定元素的氧化锌颗粒，并且进一步对掺杂及复合的具体反应过程及机理进行针对性调整，相应可充分借助于钇掺杂的氧化锌纳米片来改变PDMS复合体中的总极化状态，从而在显著改善应力传感器的力学性能的同时，还能够显著提高灵敏度和输出响应，因而尤其适用于人体皮肤和仿生机器人之类的触觉传感应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性压电应力传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)底电极的制备步骤

对基片执行清洁处理，然后在其一侧的表面上通过蒸镀方式得到第一银电极，并将其作为传感器的底电极；

(b)压电复合功能层的制备步骤

将六水合氯化钇YCl₃·6H₂O和六水合硝酸锌Zn(NO₃)₂·6H₂O按照Y：Zn原子比为1at％～10at％的比例溶解于蒸馏水中，充分搅拌后，将该溶液逐滴加入质量百分比为10％～25％的NaOH水溶液中，并反应得到沉淀物；