一种高线性度的导电涂层海绵压阻传感器及其制备方法与流程

一种高线性度的导电涂层海绵压阻传感器及其制备方法
1.技术领域
2.本发明属于柔性电子传感领域，涉及压阻传感器的制备，具体涉及一种高线性度的导电涂层海绵压阻传感器及其制备方法。


背景技术：

3.压力，作为常见的传感物理量，压力传感器的制备和应用受到了研究者的广泛关注。压力传感器通过传感机制可以分为压阻式、压电式、电容式和摩擦发电式。其中，压阻式传感器因为制备过程相对简单和信号容易被检测而具有很高的商业化价值。
4.随着人们在电子皮肤、可穿戴设备领域的不断探索，对传感器的柔韧性要求逐渐提高。传统的商业压阻传感器，如硅基压阻传感器，往往具有刚性大和应变范围有限的缺点而无法被用于柔性电子领域。因此，柔性压阻传感器成为了研究的热点。其中聚合物和无机导电纳米材料的多孔复合物成为压阻传感器发展的主流。多孔结构往往具有良好的可压缩性。在人体运动检测中，为了使传感器更好的贴合皮肤，柔软、可压缩的海绵结构成为多孔式压阻传感器中的研究重点。海绵结构的压阻传感器可以分为纯导电海绵、导电复合弹性体海绵和导电材料涂层海绵。其中导电材料涂层海绵具有制备简单和原料易获得的特点。
5.导电材料涂层海绵往往由聚合物海绵涂覆纳米导电材料制备。在压力加载下，附着由导电物质的海绵骨架开始相互接触，然后海绵的电导率开始降低。商用的聚合物海绵在100kpa左右的外力加持下充分压缩，其海绵骨架几乎完全接触。海绵骨架表面的纳米导电层通过直接接触或隧穿效应来交换电子，过度的压缩会导致压阻海绵的导电骨架接触的传感机制失效，导电海绵的电导率在继续压缩下几乎不变。因此，导电材料涂层海绵在大压力下存在灵敏度快速衰减的问题，灵敏度曲线线性度差，不利于信号的检测。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有压阻海绵传感器的传感器线性度差的问题，提供一种简单的浸涂法来制备高线性度传感器。首先对聚合物海绵进行清洗，之后为了更好的将导电层附着到聚合物海绵表面，对聚合物海绵采用氧等离子体处理。将聚合物海绵浸入聚氧化乙烯-锂盐的溶液中，待海绵充分吸收液体，挤出海绵中的多余溶液并干燥。最后，在干燥后的聚合物海绵表面涂敷银浆，使用柔性电极、医用胶带和聚乙烯膜对海绵进行封装制得高线性度的导电涂层海绵压阻传感器。
7.实现本发明目的的具体技术方案如下：一种高线性度的导电涂层海绵压阻传感器的制备方法，该方法包括以下具体步骤：步骤1：将聚合物海绵置入去离子水中超声清洗1-10min，取出后40-60℃下干燥0.5-1h，之后将聚合物海绵置入乙醇中超声清洗1-10min，取出后在40-60℃下干燥0.5-1h，
将干燥后的聚合物海绵切割为小块；步骤2：将切块后的聚合物海绵置于氧等离子体产生器中处理1-3min，海绵表面产生活泼羟基；然后将聚合物海绵浸入聚氧化乙烯-锂盐的水溶液5-10min，其中水溶液中聚氧化乙烯的质量分数为1-3%，锂盐的质量分数为5-25%，取出海绵并挤干其中的溶液，将海绵在40-60℃下干燥2-3h；步骤3：将干燥后的聚合物海绵两面涂覆导电银浆来降低接触电阻，在海绵涂覆银浆面粘贴柔性电极，通过医用胶带和聚乙烯膜对海绵进行封装，制得所述的导电涂层海绵压阻传感器；其中：步骤4：所述的聚合物海绵为聚氨酯海绵、聚二甲基硅氧烷海绵、聚乙烯醇海绵和三聚氰胺海绵中的其中一种，海绵孔隙率为80-95%，密度为0.015-0.15 g/cm3。
8.步骤2中，所述的聚氧化乙烯制备过程为：将质量分数1-3%的聚氧化乙烯水溶液在45-60℃磁力搅拌1-2h，使聚氧化乙烯完全溶解，冷却至室温后，以质量分数为5-25%的比例加入锂盐，再次磁力搅拌1-2h混合均匀制得聚氧化乙烯-锂盐水溶液。
9.步骤3中，所述的柔性电极为：铜导线、导电铜布、导电银布中的其中一种。
10.所述的聚氧化乙烯分子量为60-400万。
11.所述锂盐为高氯酸锂、氯化锂、磷酸铁锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双二氟磺酰亚胺锂及双三氟甲基磺酰亚胺锂其中的一种。
12.一种上述方法制得的高线性度的导电涂层海绵压阻传感器，该导电涂层海绵压阻传感器电阻初始值为10kω-6mω。
13.与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）本发明利用锂电池领域常见的聚合物聚氧化乙烯和锂盐，通过聚氧化乙烯和锂离子的络合和解络合，产生于纳米导电材料涂覆的压阻海绵类似的高电导率。
14.（2）本发明制备的导电涂层海绵压阻传感器，其导电涂层与海绵基底通过羟基-羟基的氢键交联，具有较好的涂层稳定性，规避了传统纳米材料涂覆存在的涂层脱落风险。
15.（3）本发明制备的导电涂层海绵压阻传感器具有大压力下的高线性灵敏度，可以用于检测人体关节运动等大压力的高精度检测。
附图说明
16.图1为实施例1制得的聚氧化乙烯-氯化锂附着的聚氨酯海绵的导电涂层表面的扫描电镜图；图2为实施例1制得的聚氧化乙烯-氯化锂附着的聚氨酯海绵传感器的组装示意图；图3为实施例1制得的聚氧化乙烯-氯化锂附着的聚氨酯海绵传感器的线性灵敏度曲线图；图4为实施例1制得的聚氧化乙烯-氯化锂附着的聚氨酯海绵传感器应用于肘部关节弯曲的示意图；图5为实施例1制得的聚氧化乙烯-氯化锂附着的聚氨酯海绵传感器应用于跟腱拉伸的示意图。
具体实施方式
17.为了使本发明所述的内容更加便于理解，通过以下实施例将本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅仅限于这些实施例。
18.本发明通过带有测距功能的螺旋测试机架和lcr仪表测定导电复合材料的电阻随不同压缩形变量下的变化性能。
19.实施例1步骤（1），选取孔隙率为85%，密度为0.118 g/cm3的聚氨酯海绵，将氨酯海绵置入去离子水中超声清洗10min，取出后60℃下干燥1h，之后将海绵置入乙醇中超声清洗10min，取出后在60℃下干燥30min，将洗净后的聚氨酯海绵切割为1 cm
×
1 cm
×
1 cm的小块；步骤（2），将质量分数3%的聚氧化乙烯水溶液在60℃磁力搅拌2h，使聚氧化乙烯完全溶解，冷却至室温后，以质量分数为20%的比例加入氯化锂，再次磁力搅拌2h混合均匀制得聚氧化乙烯-氯化锂水溶液；步骤（3），将步骤（1）制得的聚氨酯海绵小块置入等离子体产生装置中，氧等离子处理1min，然后浸入到步骤（2）制得的聚氧化乙烯-氯化锂水溶液中2min，挤干多余的溶液，浸泡-挤出过程重复2次，在60℃恒温下固化2h，过程中，聚氧化乙烯和锂离子络合产生高电导率的导电层，之后聚氧化乙烯和聚氨酯海绵基底通过氢键交联使得导电层附着在海绵表面，得到导电涂层附着的聚氨酯海绵。
20.步骤（4），将步骤（3）中制得的导电涂层附着的聚氨酯海绵涂覆导电银浆，之后在两面黏附导电铜布，完成传感器的制备，之后通过医用胶带和聚乙烯膜对传感器进行分装，制备的压阻传感器的初始电阻在50kω左右。
21.图1是聚氧化乙烯-氯化锂的导电涂层附着聚氨酯海绵的导电涂层表面的sem照片，图中显示出了丝状粘连的聚氧化乙烯-氯化锂涂层结构。图2显示，海绵传感器通过聚氨酯海绵、银浆和导电铜布组装，使用医用胶带和聚乙烯膜封装。图3为该传感器的电阻变化随压力变化的灵敏度曲线，图中显示在0-500kpa内，传感器表现出较好的线性灵敏度。图4为传感器用于手肘关节检测的图片，可以看出传感器在手肘的弯曲和复位情况下显示出大的电阻变化。图5为传感器用于跟腱检测的图片，随着脚踝的拉伸和复位，传感器也显示出了明显的电阻变化。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。