一种自驱动水凝胶离子式压力传感器及其制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，具体而言，尤其涉及一种自驱动水凝胶离子式压力传感器及其制作方法。


背景技术：

2.目前科研领域内，常用的柔性压力传感器分为电阻式、电容式、压电式传感器。无论采用何种形式的压力传感器，都是将传感器内部结构的变形转化为外部的电信号，并根据电信号的改变，测量施加力的大小和分布。电阻式压力传感器是在承受与试样垂直或与试样平行的拉力时，传感材料的电阻值发生改变；电容式压力传感器是在受到应力作用时，其传感材料的电容发生改变；压电式压力传感器是在受到应力作用时，电路中的电压发生变化。这类传感器信号传输载体与外部电路不同，通常需要在外接电路下工作，而这又限制了传感器的小型化与可实用性。
3.未来的柔性传感器不仅需要适应不同的复杂场合，而且需要同时兼具高灵敏度、柔性、可拉伸、可弯曲、低功耗、生物相容性好等基本性能，以此来满足人们在生产生活中的不同需求。但是，如何设计兼具良好拉伸性、灵敏度高、以及测量精确的压力传感器仍是目前面临的挑战。


技术实现要素：

4.根据上述提出的技术问题，提供一种自驱动水凝胶离子式压力传感器及其制作方法。本发明自驱动水凝胶离子式压力传感器装置简易，将由压力引发的离子移动转换成可用输出电信号，与检测模块相连接形成工作电路，能够有效完成检测工作，其机械性能强大，灵敏精确，可以成功应用于传感、软机器人和智能穿戴设备等方面。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种自驱动水凝胶离子式压力传感器，包括：传感模块和检测模块，传感模块将由压力引发的离子移动转换成可用输出电信号，与检测模块相连接形成工作电路，完成检测工作，其中：
7.所述传感模块包括从上至下依次排布的上部密封层，上部电极层，聚阳离子水凝胶，多孔水凝胶薄膜层，聚阴离子水凝胶，下部电极层，下部密封层，所述上部电极层和下部电极层通过导线与检测模块连接；
8.所述检测模块包括依次连接的扫描电路、信号采集电路、信号传输电路和信号处理器。
9.进一步地，所述上部密封层和所述下部密封层均采用pdms。
10.进一步地，所述上部电极层与下部电极层的电极条均使用纳米压印技术加工，所述上部电极层的电极条贴附在所述上部密封层的下方，所述下部电极层的电极条贴附在所述下部密封层的上方。
11.进一步地，所述上部电极层包括多条等距阵列排布的横向电极条，所述下部电极
层包括多条等距阵列排布的纵向电极条，横向电极条与纵向电极条形成垂直交叉点，所述检测模块用于检测每个垂直交叉点处的电压变化值，将电流信号进行处理。
12.进一步地，通过增加所述上部电极层和所述下部电极层的电极条数量，进而增加所述上部电极层和所述下部电极层的垂直交叉点，从而使得测量到的压力分布信息精确，用于调节传感器量程。
13.进一步地，所述聚阳离子水凝胶和所述聚阴离子水凝胶皆为双网络水凝胶，所述聚阳离子水凝胶内部包括自由移动的阳离子，聚阴离子水凝胶内部包括自由移动的阴离子。
14.进一步地，所述多孔水凝胶薄膜层设置在所述聚阳离子水凝胶和所述聚阴离子水凝胶之间，且所述聚阳离子水凝胶和所述聚阴离子水凝胶通过多孔水凝胶薄膜层连接在一起，所述多孔水凝胶薄膜层为多孔结构，具有整流离子传输特性。
15.本发明还提供了一种基于上述，自驱动水凝胶离子式压力传感器的制作方法，包括：
16.步骤1、将琼脂、am、mba、聚苯乙烯磺酸钠以一定浓度溶解在去离子水中；
17.步骤2、将溶解后的溶液放入磁力搅拌器，并将温度设置在90℃，混合搅拌2小时；
18.步骤3、将获得的澄清溶液真空脱气，注射到由硅酮片隔开的两个有机玻璃板中，在4℃下冷却30分钟；
19.步骤4、将有机玻璃模具转移到强度为22.4mw/cm2紫外灯下进行13分钟的光聚合，引发am的聚合，得到聚阳离子水凝胶；
20.步骤5、采用与步骤4同样的方法，制备聚二烯丙基二甲基氯化铵得到聚阴离子水凝胶；
21.步骤6、将水凝胶从有机玻璃模具中取出，用石蜡薄膜覆盖，用于测试；
22.步骤7、将两种水凝胶模制为长10cm,宽6cm，厚度为3mm的薄膜作为传感器部件；
23.步骤8、利用激光干涉光刻技术制备纳米压印的硅模板，为两个长10cm，宽6cm厚度为3mm的模具，其上部带有等间距的电极条结构；
24.步骤9、用pdms做衬底，其上部加入pedot:pss做基体，将模板与基体接触并进行精确压印定型，以150℃加热20分钟，后在120℃下整体退火半小时，脱模，将模板分离；
25.步骤10、将两种材料通过多孔水凝胶薄膜分离，再分别将密封层贴附在聚阳离子水凝胶层和聚阴离子水凝胶层，制备得到自驱动水凝胶离子式压力传感器。
26.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
27.1、本发明提供的自驱动水凝胶离子式压力传感器，具有高可拉伸性、高透明性以及良好耐久性，并可以实现对压力的高精度监测，这些显著的特性促进了其在传感器等柔性穿戴型电子产品中的应用。
28.2、本发明提供的自驱动水凝胶离子式压力传感器，具有优异的力学性能、生物相容性以及自愈性等优点。
29.3、本发明提供的自驱动水凝胶离子式压力传感器，其机械性能与传统的水凝胶不同，由于独特的双网络结构，其断裂强度以及断裂应变已经提高了几倍，因为两种内部网络的有效配合极大地耗散了施加的外部能量。因此，本发明具有高强度的机械性，使用寿命显著提高。
30.4、本发明提供的自驱动水凝胶离子式压力传感器，采用独特的横纵交叉阵列式布设电极，可以快速实现对传感器中受压位置的准确测量，以完成传感器在被穿戴时，穿戴部位的实时状态监测。
31.5、本发明提供的自驱动水凝胶离子式压力传感器，将为传感、软机器人和人机界面提供新型基于水凝胶离子电流的柔性压力传感设备。
32.基于上述理由本发明可在传感器等领域广泛推广。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明的自驱动水凝胶离子式压力传感器的结构示意图。
35.图2为基于自驱动水凝胶离子式压力传感器的压力传感设备的结构原理框图。
36.图中：1、上部密封层；2、上部电极层；3、聚阳离子水凝胶；4、多孔水凝胶薄膜层；5、聚阴离子水凝胶；6、下部电极层；7、下部密封层。
具体实施方式
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
40.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、
垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
42.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
43.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
44.如图1-2所示，本发明提供了一种自驱动水凝胶离子式压力传感器，包括：传感模块和检测模块，传感模块将由压力引发的离子移动转换成可用输出电信号，与检测模块相连接形成工作电路，完成检测工作，其中：
45.所述传感模块包括从上至下依次排布的上部密封层1，上部电极层2，聚阳离子水凝胶3，多孔水凝胶薄膜层4，聚阴离子水凝胶5，下部电极层6，下部密封层7，所述上部电极层2和下部电极层6通过导线与检测模块连接；
46.所述检测模块包括依次连接的扫描电路、信号采集电路、信号传输电路和信号处理器。
47.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述上部密封层1和所述下部密封层7均采用pdms，厚度为1mm。pdms由sylgard 184silicone kit(道康宁)制备。
48.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述上部电极层2与下部电极层6的电极条均使用纳米压印技术加工，所述上部电极层2的电极条贴附在所述上部密封层1的下方，所述下部电极层6的电极条贴附在所述下部密封层7的上方。
49.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述上部电极层2包括多条等距阵列排布的横向电极条，所述下部电极层6包括多条等距阵列排布的纵向电极条，横向电极条与纵向电极条形成垂直交叉点，所述检测模块用于检测每个垂直交叉点处的电压变化值，将电流信号进行处理。在本实施例中，每个电极条长1cm，厚50nm，宽0.5cm，电极间距0.25cm。
50.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，通过增加所述上部电极层2和所述下部电极层6的电极条数量，进而增加所述上部电极层2和所述下部电极层6的垂直交叉点，从而使得测量到的压力分布信息精确，用于调节传感器量程。
51.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述聚阳离子水凝胶3和所述聚阴离子水凝胶5皆为双网络水凝胶，所述聚阳离子水凝胶3内部包括自由移动的阳离子，聚阴离子水凝胶5内部包括自由移动的阴离子。在本实施例中，聚阳离子水凝胶3与聚阴离子水凝胶5长6cm，宽4cm，厚度约为1mm。
52.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述多孔水凝胶薄膜层4设置在所述聚阳离子水凝胶3和所述聚阴离子水凝胶5之间，且所述聚阳离子水凝胶3和所述聚阴离子水凝胶5通过多孔水凝胶薄膜层4连接在一起，所述多孔水凝胶薄膜层4为多孔结构，具有整流离子传输特性。在本实施例中，所述多孔水凝胶薄膜层4的平均孔径为1μm，厚度在5μm-30μm之间可调。多孔水凝胶薄膜与聚阳离子水凝胶和聚阴离子水凝胶紧密贴合，帮助完成两个水凝胶间的离子扩散运动，建立电势。多孔水凝胶薄膜基于溶液相转换法制备，平均孔径为1μm，厚度制备为20μm。
53.本发明自驱动水凝胶离子式压力传感器的工作原理如下：
54.本发明传感模块中的聚阳离子水凝胶和聚阴离子水凝胶，经由多孔水凝胶薄膜分离，类似于p
–
n半导体结。聚阴离子和聚阳离子水凝胶通过多孔水凝胶薄膜连接在一起，导致水凝胶层中可移动的阴阳离子透过膜扩散到其对应区域，当二者浓度达到动态平衡时产生一个初始的感应电动势。当水凝胶层受到外部施加的压力作用时，水凝胶层的空间体积发生变化，其内部可移动的阳离子或阴离子转移出去一部分，则阴离子浓度大于或小于阳离子浓度，为平衡电势，电极感应出电荷，导致外部电路产生电流。通过测量外部感应电流的大小来感知压力的大小，从而实现对压力的精准测量；同样当外部压力消失时，阴阳离子再次回到初始的平衡态，相应的感应电流开始降低，感应电势也恢复到初始值，即自驱动的完成了一系列工作。
55.本发明中在上下两层水凝胶上布设有交叉阵列式电极，通过导线与数字信号处理器连接，当受到压力作用，传感器将产生电流。由于上下电极层的电极条等间距的排列，且相互垂直交叉，因此测量各个交叉点处的电压变化信息，通过扫描电路扫描判断离子传感器上对应的第m行，第n列每个交叉点处的电压是否发生变化，由数字信号处理(dsp)单元，以数字形式对扫描异常的信号进行采集、增强，并记录每一组的数据，处理得到的模拟信号传入处理器，完成智能决策，以实现受压位置的判断与反馈，获取传感器上的外界压力分布信息。dsp尺寸小、精确、速度快，搭配本传感器可以实时准确地监测传感器上压力的大小与位置。
56.本发明还提供了一种基于上述自驱动水凝胶离子式压力传感器的制作方法，包括：
57.步骤1、将琼脂(1.26克)、am(14.52克)、mba(0.012克)、聚苯乙烯磺酸钠以一定浓度溶解在去离子水中；
58.步骤2、将溶解后的溶液放入磁力搅拌器，并将温度设置在90℃，混合搅拌2小时；
59.步骤3、将获得的澄清溶液真空脱气，注射到由硅酮片隔开的两个有机玻璃板中，在4℃下冷却30分钟；
60.步骤4、将有机玻璃模具转移到强度为22.4mw/cm2紫外灯下进行13分钟的光聚合，引发am的聚合，得到聚阳离子水凝胶；
61.步骤5、采用与步骤4同样的方法，制备聚二烯丙基二甲基氯化铵得到聚阴离子水凝胶；在本实施例中，聚阳离子水凝胶和聚阴离子水凝胶通过一锅法制备，加入琼脂、am、mba和聚苯乙烯磺酸钠等制备，机械性能优异。
62.步骤6、将水凝胶从有机玻璃模具中取出，用石蜡薄膜覆盖，用于测试；
63.步骤7、将两种水凝胶模制为长10cm,宽6cm，厚度为3mm的薄膜作为传感器部件；
64.步骤8、利用激光干涉光刻技术制备纳米压印的硅模板，为两个长10cm，宽6cm厚度为3mm的模具，其上部带有等间距的电极条结构；
65.步骤9、用pdms做衬底，其上部加入pedot:pss做基体，将模板与基体接触并进行精确压印定型，以150℃加热20分钟，后在120℃下整体退火半小时，脱模，将模板分离；在本实施例中，pedot:pss是由离子相互作用形成的pedot和pss的聚合物共混物，具有高稳定性及在水溶液中的可加工性和高导电性。
66.步骤10、将两种材料通过多孔水凝胶薄膜分离，再分别将密封层贴附在聚阳离子水凝胶层和聚阴离子水凝胶层，制备得到自驱动水凝胶离子式压力传感器。
67.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。