[发明专利]一种高灵敏柔性传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种高灵敏柔性传感器及其制备方法和应用，其制备方法包括以下步骤：(1)配制BTS前驱体溶液；(2)制备BTS‑GFF压电纤维布，将BTS前驱体溶液浸渍玻璃纤维布(GFF)后，再经热处理，得到BTS‑GFF压电纤维布；(3)制作BTS‑GFF/PVDF压电复合材料，将BTS‑GFF压电纤维布夹设在PVDF层之间，得到BTS‑GFF/PVDF压电复合材料；(4)将BTS‑GFF/PVDF压电复合材料的上下两面溅射银电极，接线封装，即可得到高灵敏柔性传感器，该柔性传感器用于检测手指弯曲率、屈曲平面微小形变或头部运动检测。与现有技术相比，本发明制备方法简单，不仅具有较好的柔性且压电相连续分布，具有大的输出信号和优异的抗疲劳性等优点，可以将机械能转化为电能。

技术领域

本发明涉及压电材料领域，具体涉及一种高灵敏柔性传感器及其制备方法和应用。

背景技术

虽然无机压电陶瓷和单晶能够通过压电效应将机械能转化为电能，并且拥有很高的压电系数，但是压电陶瓷或单晶其刚度大，脆性高，施加一般的应力很难使其产生形变，因此只能通过高频振动等方式才能使之产生压电信号。另外目前常用的有机-无机压电复合材料中的压电相一般是无规形状的陶瓷粉体，而且陶瓷颗粒在聚合物柔性基体中是非连续分布的，因此其在弯曲应力的作用下产生的压电信号输出也非常有限。也有工作通过将压电薄膜涂覆于云母片或者将压电薄膜从硬性基板上进行剥离来制备柔性器件，但他们的柔性非常有限。而且目前的柔性压电传感器都需要加电压进行极化才能获得性能，严重限制了器件的稳定性和耐久性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备方法简单，不仅具有较好的柔性且压电相连续分布，具有大的输出信号和优异的抗疲劳性等优点，可以将机械能转化为电能的高灵敏柔性传感器及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高灵敏柔性传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)配制BTS前驱体溶液：按照BaTi_0.88Sn_0.12O₃(BTS)的原子比，将氯化锡、钛酸四丁酯、乙酸钡与溶剂混合，配制成BTS前驱体溶液；

(2)制备BTS-GFF压电纤维布，将BTS前驱体溶液浸渍玻璃纤维布(GFF)后，再经热处理，得到BTS-GFF压电纤维布；

所利用的玻璃纤维纺织布是耐高温的电子级玻纤布，用来沉积BTS薄膜。玻璃纤维纺织布(Glass Fiber Fabric，缩写GFF)，是由上百根直径为4-10μm的玻璃纤维集成一根玻纤束，再由大量玻璃纤维束交叉编织形成网状结构。虽然GFF是一种无机材料，但由于其鱼网状的特殊结构而具有了很好的柔性，能够承受往复的变形，以GFF为基底生长的BTS薄膜具有连续性和整体性，克服了压电响应不集中和载荷传递不良的问题。另外相比于传统的连续薄膜，GFF中大量的空隙使得BTS薄膜在保持整体性的前提下具有超高的柔性和机械强度；

掺锡的BaTiO₃铁电陶瓷在无铅压电陶瓷中具有最高的压电系数，而其Tc(居里温度)约为40℃。一旦工作温度高于Tc，基于传统硬BTS陶瓷的传感器将由于去极化现象而失去压电性。作为柔性可穿戴设备，基于BTS薄膜的传感器不需要通过电场极化即可获得压电性能，这主要是由于BTS薄膜与玻纤之间的热膨胀系数差异较大，因此在BTS薄膜中会形成织构应力从而导致BTS薄膜无需施加外部电压即可发生自极化。人体温度(约37℃)非常接近BTS的Tc，应力或温度的微小变化将可引起极化的较大变化。考虑到上述事实，BTS薄膜材料由于在室温下无毒且性能突出而在可穿戴设备市场上具有巨大的应用潜力；

热处理步骤主要是为了使得材料进一步结晶，得到钙钛矿相，并促使Sn元素充分进入基体材料的晶格中，得到BTS薄膜，另外高温退火可使BTS膜中形成张应力而是其发生自极化现象；