一种基于滴液沉积的复合薄膜应变传感器的制备方法与流程

1.本发明涉及应变传感器制备技术领域，特别涉及一种基于滴液沉积的复合薄膜应变传感器的制备方法。


背景技术：

2.应变传感器是一种将被测物体因受外界刺激信号如力、振动等引起的形变转化为其他电信号的传感装置。目前市场上传统的应变传感器主要由半导体、陶瓷、金属等刚性材料制成，它们具有较为理想的灵敏度，但是传统的应变传感器成本高、灵活性差、随着施加应变的增大会使灵敏度减小。而柔性应变传感器则具有更好的拉伸性，能够适应更大的形变。这使得柔性应变传感器在近年来备受关注的人机交互、健康监测、可穿戴设备、人工皮肤和义肢等领域中得到了广泛研究和推广。
3.在这样的背景下，将导电填料和非导电聚合物混合后制备柔性复合薄膜应变传感器的方式应运而生，这种组合材料的方式制备的应变传感器具有柔韧性好、可自由弯曲、厚度薄、灵敏度高等优点。
4.然而，对于复合薄膜应变传感器来说，除了材料的选择之外，成膜的方式也很重要。成膜方式决定了薄膜的均匀性、平整度和厚度等，这些都与传感器的性能息息相关。
5.目前制备复合薄膜的方法主要是喷涂法，喷涂法是将导电分散体放置在喷枪中，然后压缩空气将分散体雾化成小液滴，在气流的作用下，这些小液滴将会沉积在预热的衬底上，待干燥后形成导电薄膜；棒涂法是将导电分散油墨放置在基底上，然后以一定的速度使棒滚动来分散油墨，从而形成均匀的导电薄膜；滴涂法是一种直接把要涂布的液体直接滴落在目标衬底上，干燥后成膜的工艺；旋涂法制备薄膜的过程中，衬底通常在高速旋转的转盘上旋转，由于离心力的存在，放置在基板上的分散液扩散到整个基板区域，从而形成薄膜；溶液流延法是将调配好的适量溶液倾倒于基底上，使溶液在基底表面均匀的铺展开来，然后加热使溶剂完全蒸发成膜；气相沉积法则是一种将材料源气化，并使其在基底表面沉积形成薄膜的技术。
6.喷涂法的设备简易，便于操作，可实现大面积生产，但是其制备的薄膜均匀性差；棒涂法适用于批量生产，但是它要求分散液具有很高的粘度和很大的表面张力；滴涂法操作过程中，纳米粒子易发生团聚，干燥后易出现“咖啡环效应”，导致薄膜的均匀性受到影响；旋涂法能制备的薄膜面积有限，并且薄膜厚度无法得到控制；溶液流延法制备的薄膜分子间距离大，结构较疏松，薄膜的强度较低，并且其生产成本高、能耗大、生产速度低；沉积法制备的薄膜虽然质地均匀，但是存在着制备条件严苛、设备价格高昂、效率低的缺点。由此可见，目前已有的薄膜制备方法中，并没有兼顾成本低、操作简易、薄膜尺寸和厚度可控的成膜方法。


技术实现要素：

7.为了至少解决或部分解决上述问题，提供一种基于滴液沉积的复合薄膜应变传感
器的制备方法，通过液滴沉积的方式，能够在保证薄膜均匀性的同时，提高薄膜厚度和尺寸的可控性，降低材料的损耗。
8.为了达到上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
9.本发明一种基于滴液沉积的复合薄膜应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
10.s1：将聚乙烯醇粉末加入到蒸馏水中，使聚乙烯醇完全溶解，得到均匀的聚乙烯醇水溶液；
11.s2：使碳黑溶液与聚乙烯醇溶液完全混合，获得均匀的碳黑/聚乙烯醇溶液；
12.s3：去除溶液中混杂的空气，得到纯净的碳黑/聚乙烯醇溶液；
13.s4：将得到的碳黑/聚乙烯醇溶液放入微涂布器中，采用液滴沉积法将溶液涂布到基板上；
14.s5：将碳黑/聚乙烯醇薄膜进行加热固化，得到碳黑/聚乙烯醇复合薄膜应变传感器。
15.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s2中，使碳黑溶液与聚乙烯醇溶液完全混合的步骤为：将碳黑溶液加入已制好的聚乙烯醇水溶液中，把混合溶液放入行星离心混合器中搅拌混合，超声波清洗机中进行超声波处理，取出后再搅拌10分钟。
16.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s3中，去除溶液中混杂的空气的步骤为：将s2得到的碳黑/聚乙烯醇溶液放入真空干燥箱中进行真空抽吸处理。
17.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s1中，使聚乙烯醇完全溶解的步骤为：加热至90℃并在此温度下搅拌20分钟。
18.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s4中，液滴沉积法的步骤为：采用非接触的模式，涂布器不与基板接触，而仅使液滴与基板相接触形成液滴点，通过软件控制可以确定液滴沉积的位置，从而制作复合薄膜的图案。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
20.本发明提出的一种基于液滴沉积的复合薄膜应变传感器的制备方法，仅使用一台微涂布器和电脑就可以完成，设备比较简易。
21.由于是非接触地将聚合物溶液的液滴沉积在基底上，并且是采用电脑控制液滴沉积的位置，所以该方法具有操作简单的优点。
22.由于涂布器的针尖非常小，因此其产生的液滴的尺寸也非常小，可以保证在微米级，能够有效地避免材料溢出所设计的形状和尺寸，从而精确地掌握薄膜的尺寸、形状，减少了材料的浪费，降低了制备成本。
23.采用液滴沉积法所制备的导电薄膜的能够达到非常小的厚度，使得所制备的应变传感器在非常小的应变下具有较高的应变系数。
附图说明
24.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
25.图1为本发明提出的基于液滴沉积的薄膜制备方法的原理示意图；
26.图2为本发明提出的液滴沉积法成膜机理图；
27.图3为本发明实施例的液滴点的尺寸图；
28.图4为本发明实施例的复合薄膜的光学图像；
29.图5为本发明实施例的复合薄膜应变-电阻测试图；
30.图中：1为微涂布器的针尖，2为复合溶液，3为基板。
具体实施方式
31.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。
32.此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略。
33.实施例1
34.如图1所示，本发明提供一种基于滴液沉积的复合薄膜应变传感器的制备方法，在表面张力和分子间吸引力的作用下，液体在微涂布器的针尖形成球状的液滴。如图1-1所示，下移微涂布器，使液滴与基板相接触，而涂布器与基板不接触。从图1-2可以看出当涂布器离开时，针尖的液滴一部分在基板上，一部分则留在针尖上。
35.如图2-1、图2-2和图2-3所示，移动微涂布器连续沉积两个液滴。由图2-4可以看出，两次沉积的液滴点之间存在重叠部分。由于液体具有流动性，重叠部分的液滴界面分子间的空隙较小，液滴内部的液体分子会相互吸引。同时，在表面张力的作用下，互相重叠的液滴点会融合形成一个新的液滴点，如图2-5，积少成多最终形成一张复合薄膜。
36.称量1g聚乙烯醇放置于烧杯中，加入15ml蒸馏水，加热至90℃并在此温度下搅拌20分钟使聚乙烯醇完全溶解，得到均匀的聚乙烯醇水溶液。
37.称量4g浓度为10％的cb碳黑溶液加入已制好的聚乙烯醇水溶液中，将碳黑/聚乙烯醇混合溶液放入离心混合器中搅拌10分钟，放入超声波清洗机中以40khz的频率超声波处理60分钟，取出后搅拌10分钟，使碳黑溶液与聚乙烯醇溶液完全混合，获得均匀的碳黑/聚乙烯醇溶液。
38.将第二步得到的碳黑/聚乙烯醇溶液放入真空干燥箱中真空抽吸60分钟，得到纯净的碳黑/聚乙烯醇溶液。
39.将得到的碳黑/聚乙烯醇溶液放入微涂布器中，采用液滴沉积法将溶液涂布到玻璃基片上，如图3所示，液滴的直径约为100μm，两液滴间的中心距约为80μm。
40.将薄膜置于加热台上，在80℃条件下干燥固化30分钟，得到碳黑/聚乙烯醇复合薄膜应变传感器，其光学图像如图4所示，可以看出本发明有利于提高薄膜的均匀性和薄膜尺寸的可控性。
41.如图5所示，对实施例所述复合薄膜应变传感器进行电阻-应变测试。可以看出复合薄膜的电阻值随着应变的增大而增大，由于制备的薄膜的厚度小，因此在万分之一的应变变化下也有明显的电阻变化，因此该实施例的复合薄膜应变传感器有着较高的灵敏度。
42.所述基板为玻璃基板，玻璃基板的长为20mm，宽为20mm，厚度约为300μm。
43.具体的，采用非接触的模式，涂布器不与基板接触，而仅使液滴与基板相接触形成液滴点，通过软件控制可以确定液滴沉积的位置，从而制作复合薄膜的图案。
44.利用了液滴分子间的吸引力和表面张力，部分重叠的液滴会相互吸引融合形成一个整的液滴，使得制备的薄膜具有较好的连续性和均匀性。
45.由于液滴的尺寸很小，液滴沉积法制备薄膜的原始最小尺寸即为一个液滴的尺寸，因此薄膜的尺寸有较高的可控性，从而减少材料的浪费。
46.本发明的基于液滴沉积的复合薄膜应变传感器的制备方法的主要机理与分子间相互吸引力和表面张力有关。由于分子之间的相互吸引，cb/pva液滴可以在针尖呈半球状而不会坠落。基底与空气界面之间的表面张力大于基底与液体横截面之间的表面张力，所以当液滴接近基底的上表面时，涂布器针尖上的液滴的一部分用于湿润基底表面，即液滴在基材表面形成平凸透镜的形状，另一部分则留在针尖上，此时涂布器与基板之间不接触。当两液滴之间的中心距小于液滴的直径时，两液滴之间将会存在重叠部分。液体具有流动性，并且重叠部分的液滴界面分子间的空隙较小会导致其内部的液体分子相互吸引，同时，在表面张力的作用下，它们会形成一个新的液滴点。该装置沿直线运动会使液滴形成一条液滴带，当多条液滴带重叠时，就会形成一张碳黑/聚乙烯醇液滴膜。
47.在90℃温度下搅拌一段时间是为了使聚乙烯醇充分溶解。
48.将溶液放入离心混合器进行搅拌以及进行超声波处理等步骤，均是为了使溶液中的碳黑和聚乙烯醇充分混合。
49.在溶液制备过程中会有空气混入，对薄膜的均匀性造成影响，在真空干燥箱中进行真空抽吸可以去除溶液中混杂的空气。
50.除真空抽吸外，以上步骤均在常压下进行。
51.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。