本技术涉及一种新型热致变色电绝缘压力传感器及其制造技术,该传感器由离子薄膜介电层和电极层构成,电极层分为第一电极层和第二电极层,离子层在压力作用下发生颜色变化,实现压力检测。
背景技术
随着物联网、大数据,以及个性化医疗等概念的普及和发展,便携式和可穿戴式传感器已成为传感技术发展的一个新趋势。柔性压力传感器能够像人体皮肤一样感知机械刺激,因而被视为人体健康监测、人机界面应用的关键技术之一。
根据传感原理,柔性压力传感器大体可以分为电容式、电阻式、摩擦电式和压电式四种类型。其中压电式和摩擦电式的电子压力传感器只能适用于动态载荷,而电阻型压力传感器容易受温度及水的干扰,电容式传感器因其制造简单、抗干扰良好、长期稳定性优良的特点而被深入研究。
传统电容式传感器在较大的工作压力下常表现出较低的灵敏度,且传统平行板电容器的电容值仅为数十皮法,因此人体电容(可达数百皮法)和其他寄生噪声源(通常几十皮法)对器件的精度和稳定性都有极大的影响。目前通过在介电层或电极层中引入可压缩的微结构是提高电容式传感器性能的有效策略之一,由于器件可压缩距离有效增加,使其在低压范围内(~几千帕)电容迅速增加,从而提升器件灵敏度。但是,由于微结构压缩范围有限,因此导致传统电容式传感器的灵敏度较低,在高压下呈现的低的分辨率。
离电传感是近年来发展的一种全新传感机理,它通过测定在压力下发生变化的离子-电子双电层(EDL)的电容值大小,从而记录压力数值。相比于电阻式、电压式和电容式等其他传感机理,离电传感具有极高的压力响应灵敏度、信噪比、抗干扰性、压力分辨率等,此外还具有独特的高透明性、动静态力响应宽等特性。这种传感机制可以很好地抵抗环境噪声和人体电容性噪声,对于柔性压力传感器和可穿戴应用方面有极大的提升帮助,并且在环境交互、健康监测、动作识别等应用领域引领了产品创新。
此外,热致变色材料是一类基于材料在相变温度前后具有明显不同的热辐射特性的光学调制材料,是一种能够随温度变化而改变颜色的特殊材料,它们在不同温度下呈现出不同的颜色,并具有广泛的应用潜力,将热致变色性能赋予离电式传感器将使其拥有更加智能化的应用前景。在现有的热致变色薄膜材料的制备中,一般会将热致变色溶液与原料混合经过干燥制备出薄膜,但是此工艺可能由于引入无法挥发的溶剂,导致不必要的溶剂残留,影响材料的机械性能,并且会有对人体有害的溶剂泄露的风险。例如名为Stretchable Polydimethylsiloxane Composites with Emulsified Ionic Materialsand Thermochromic Applications的论文中将热致变色物质溶解于乙二醇中,并且溶液被包裹于PDMS胶体中固化制备出热致变色薄膜,虽然此方法制备的薄膜表现出稳定的热致变色,但是最终在固化的PDMS膜上发现残留的乙二醇液体,在后续的使用过程中仍会出现少量乙二醇液体泄漏的问题,此外由于乙二醇液滴的存在,薄膜的拉伸应力和拉伸应变有所下降。
在离电式传感器的制备方法中,引入离子液体实现电极与介电层薄膜离子-电子双电层效应是常见的选择,但是一般无法同时兼顾高灵敏度与宽工作范围,例如名为Supercapacitive Iontronic Nanofabric Sensing的文献引入离子液体[EMIM][TFSI]制备了超级电容离子电子纳米织物传感器,提供了为114nF kPa−1
的压力-电容灵敏度,但是工作范围局限于约10kPa。同时离子液体也参与到热致变色材料的制备中,将离子液体与其他热致变色材料复合可以改善材料的光学性能,例如名为Ionic-Liquid-Based PrintableMaterials for Thermochromic and Thermoresistive Applications的这篇文献研究了基于PVDF和离子液体双(1-丁基-3-甲基咪唑)四氯酸盐([Bmim]2
[NiCl4
])的热致变色材料,在聚合物基体中开发了具有不同含量的[Bmim]2
[NiCl4
],制备出具有热致变色和热阻性能的智能材料。
然而离子液体的引入在实现热致变色和离电传感性能的同时也会存在一些问题:比如离子液滴存在器件封装工艺复杂,液体有渗漏的风险,液滴蒸发还会影响器件后续的稳定性,器件响应时间长等问题,这些缺陷在人体可穿戴器件的实现是不利的。同时将热致变色性能与离电式传感器有效结合的研究鲜有报道,在现有的学术研究中,多数文献一般涉及将热致变色性能赋予传统电容传感器,例如名为Oblique Pyramid Microstructure-Patterned Flexible Sensors for Pressure and Visual Temperature Sensing的这篇文献开发了一种多功能触觉传感器,在电容式传感器的介电层中设计斜棱锥微结构,与传统的棱锥型传感器相比显著提高了传感器的灵敏度,同时使用基于介电层设计中固有的热致变色属性的视觉传感机制,集成了温度传感特征。虽然此方法集成了热致变色性能和电容式传感技术,但是制备的传感器灵敏度在0~25kPa压力范围内,灵敏度量化为S=1.07%kPa-1
,其灵敏度远不及离电式传感器。
基于上述,现有技术中对于离电式传感与热致变色性能的功能结合尚未完善,热致变色材料的制备方法中会有有害溶剂泄露、溶剂残留影响薄膜机械性能、制备工艺不够绿色环保的问题。上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。
实现思路