本發(fā)明屬于柔性電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種氧化鋅基微納米纖維陣列柔性壓力傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

壓力傳感器是監(jiān)測物體受到壓力產(chǎn)生電流(或電壓)的一種傳感器，是一種自發(fā)電式傳感器。壓電傳感元件是力敏感元件，通過受力來改變電流(或電壓)來實現(xiàn)對所受壓力的檢測。壓力傳感器是直接與被測介質(zhì)接觸的現(xiàn)場測試器件，可以用于商場、酒店等公共場所的自動扶梯和自動門的自動感應(yīng)器，也可用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于電力，石油，化工及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對壓力傳感器的性能提出了新的挑戰(zhàn)，迫切需要開發(fā)微型、柔性、高精度、低能耗的壓力傳感器。為了改進壓力傳感器，研究者們做出了不懈的努力，中國專利(專利號zl201210196840.0)公開了一種柔性力敏傳感器的制備方法，在電紡pvdf纖維表面包裹聚苯胺層構(gòu)成彎曲應(yīng)變敏感層，但其仍需要外加電壓，能耗較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種氧化鋅基微納米纖維陣列柔性壓力傳感器及其制備方法。該壓力傳感器由微納米材料制得，可制成小尺寸的微型傳感器，且靈敏度高、力學(xué)性能好可任意彎曲，能耗低、制備方法簡單，成本低，有較好的應(yīng)用前景。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種氧化鋅基微納米纖維陣列柔性壓力傳感器，所述的壓力敏傳感器以近場電紡制得的有序排列的pvdf(聚偏氟乙烯)/zno復(fù)合微納米纖維陣列作為敏感材料，該敏感材料設(shè)置于柔性絕緣基底表面，敏感材料的兩端分別設(shè)置電極，所述的電極垂直于pvdf/zno復(fù)合微納米纖維軸向方向設(shè)置。

該力敏傳感器采用近場電紡制得的有序排列的pvdf(聚偏氟乙烯)/zno復(fù)合微納米纖維陣列作為敏感材料，該材料通過近場電紡方法制得，相較于其他的敏感材料制備方法制備更加簡單且成本更低。納米氧化鋅顆粒是一種高端的高功能精細無機產(chǎn)品，具有壓電性、非遷移性、吸收和散射紫外線能力，可作為壓電材料、壓敏電阻等。聚偏氟乙烯(pvdf)是一類廣泛應(yīng)用的高分子材料，根據(jù)處理條件不同，可以得到多種不同的結(jié)晶相，其中α相具有優(yōu)異的力學(xué)性能，β相具有較強的壓電、介電、熱電性能；此外，pvdf還有原料便宜、耐化學(xué)腐蝕性、耐氧化性、耐磨性、柔韌性好等優(yōu)點，已經(jīng)在石油化工、電子電氣、氟碳涂料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，兩種材料的結(jié)合使得復(fù)合材料的性能更加優(yōu)越，pvdf/zno復(fù)合微納米纖維在近場電紡過程中，pvdf在電場力的作用下易形成具有壓電特性的β相，同時zno納米顆粒具有優(yōu)異的壓電性相結(jié)合，促使pvdf/zno微納米纖維具有更強的壓力敏感性，在壓力作用下產(chǎn)生隨壓力大小變化的電壓，因此在無外加電壓源的情況下，直接將該壓力傳感器連接電流表，敏感材料所受壓力變化時，電流表顯示數(shù)值隨之變化，即無需外加電源即可實現(xiàn)對敏感材料表面壓力變化情況的測試，相較于現(xiàn)有壓力敏傳感器該裝置的能耗更低。當然，該傳感器也可以配合外加電壓源使用，同樣可以快速感應(yīng)壓力變化。用近場紡絲法在柔性絕緣基底表面制備的pvdf/zno復(fù)合微納米纖維作為敏感材料，其比表面積相對于傳統(tǒng)的膜材料大，能夠更好的感應(yīng)壓力變化，反應(yīng)更加精確靈敏。且pvdf/zno復(fù)合微納米纖維結(jié)合了兩種材料的特點具有較好的力學(xué)性質(zhì)，可隨柔性絕緣基底形變，更靈活的適應(yīng)不同的使用環(huán)境。

優(yōu)選的，所述的柔性絕緣基底為pet膠片。

優(yōu)選的，所述的敏感材料中pvdf和zno納米顆粒的質(zhì)量比為110:1。

優(yōu)選的，所述的敏感材料的表面還覆蓋有保護層。保護層可以更好的保護敏感材料延長傳感器的使用壽命，同時可以隔絕外界環(huán)境，防止對敏感材料產(chǎn)生干擾，使響應(yīng)信號更加精確。

優(yōu)選的，所述的電極包括印刷于力敏材料兩端的銀膠和與銀膠連接的銅線。

優(yōu)選的，所述的保護層為涂覆于敏感材料表面的pdms(聚二甲基硅氧烷)膠膜。

本發(fā)明還公開了所述的氧化鋅基微納米纖維陣列柔性壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟：

(1)裁剪基底材料：按使用需求選取合適的材料作為柔性絕緣基底，并將柔性絕緣基底裁剪為合適的大??；

(2)制備敏感材料：利用低壓近場電紡絲方法在步驟(1)所得的柔性絕緣基底上制備有序排列的pvdf/zno復(fù)合微納米纖維陣列作為敏感材料；

(3)器件組裝：在步驟(2)所得的pvdf/zno微納米纖維陣列兩端制備電極即得壓力敏傳感器。

優(yōu)選的，所述的步驟(2)制備敏感材料：將pvdf溶于丙酮和二甲基甲酰胺中得pvdf溶液，再向pvdf溶液中摻入zno納米顆粒攪拌均勻得紡絲前驅(qū)體溶液；控制紡絲電壓2-5千伏、紡絲距離5-12毫米，鋁箔作為陰極，將柔性絕緣基底放在鋁箔上作為接收襯底，通過近場電紡在柔性絕緣基底上形成有序排列的平行線狀的微納米纖維陣列即得敏感材料。

優(yōu)選的，所述的步驟(2)中紡絲前驅(qū)體溶液中，pvdf的質(zhì)量百分比為21.96％，zno納米顆粒的質(zhì)量百分比為0.20％。

優(yōu)選的，所述的步驟(3)器件組裝：在步驟(2)所得的pvdf/zno微納米纖維陣列兩端沿垂直纖維軸向方向印刷銀膠并將銅線引出作為器件電極。

優(yōu)選的，所述的氧化鋅基微納米纖維陣列柔性壓力傳感器的制備方法還包括步驟(4)覆膜保護：在pvdf/zno微納米纖維陣列表面涂覆膠膜作為保護層。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了一種氧化鋅基微納米纖維陣列柔性壓力傳感器及其制備方法。該壓力傳感器由微納米材料制得，可制成小尺寸的微型傳感器，且靈敏度高、力學(xué)性能好可任意彎曲，能耗低、制備方法簡單，成本低，有較好的應(yīng)用前景。具體而言：

(1)該力敏傳感器采用近場電紡制得的有序排列的pvdf(聚偏氟乙烯)/zno復(fù)合微納米纖維陣列作為敏感材料，該材料通過近場電紡方法制得，相較于其他的敏感材料制備方法制備更加簡單且成本更低。

(2)pvdf/zno復(fù)合微納米纖維在近場電紡過程中，pvdf在電場力的作用下易形成具有壓電特性的β相，同時zno納米顆粒具有優(yōu)異的壓電性相結(jié)合，促使pvdf/zno微納米纖維具有更強的壓力敏感性，同時該敏感材料在壓力作用下會產(chǎn)生隨壓力大小變化的電壓，因此在無外加電壓源的情況下，直接將該壓力傳感器連接電流表，敏感材料所受壓力變化時，電流表顯示數(shù)值隨之變化，即無需外加電源即可實現(xiàn)對敏感材料表面壓力變化情況的測試，相較于現(xiàn)有壓力敏傳感器該裝置的能耗更低。當然，該傳感器也可以配合外加電壓源使用，同樣可以快速感應(yīng)壓力變化。

(3)用近場紡絲法在柔性絕緣基底表面制備的pvdf/zno復(fù)合微納米纖維作為敏感材料，其比表面積相對于傳統(tǒng)的膜材料大，能夠更好的感應(yīng)壓力變化，反應(yīng)更加精確靈敏。

(4)pvdf/zno復(fù)合微納米纖維結(jié)合了兩種材料的特點具有較好的力學(xué)性質(zhì)作為敏感材料與柔性絕緣基底配合，可隨柔性絕緣基底形變，更靈活的適應(yīng)不同的使用環(huán)境。

(5)在敏感材料的表面還覆蓋保護層可以更好的保護敏感材料延長傳感器的使用壽命，同時可以隔絕外界環(huán)境，防止對敏感材料產(chǎn)生干擾，使響應(yīng)信號更加精確。

附圖說明

圖1：實施例的柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：實施例的pvdf/zno復(fù)合微納米纖維陣列的光學(xué)顯微鏡照片；

圖3：無外加電源時實施例的柔性壓力傳感器的壓力響應(yīng)曲線；

圖4：外加5伏恒壓電源時實施例的柔性壓力傳感器的壓力響應(yīng)曲線；

圖中，1-柔性絕緣基底，2-銅線，3-pdms膠膜，4-銀膠，5-敏感材料。

具體實施方式

為能清楚說明本方案的技術(shù)特點，下面通過實施方式對本方案進行闡述。

一種氧化鋅基微納米纖維陣列柔性壓力傳感器(結(jié)構(gòu)如圖1所示)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)裁剪基底材料：將pet膠片裁剪為3cm*3cm的方片作為柔性絕緣基底1；

(2)制備敏感材料：稱取pvdf粉末2.2g，放入燒瓶中，再加入3.9g二甲基甲酰胺(dmf)和3.9g丙酮，40℃水浴磁力攪拌4個小時得pvdf溶液，再向pvdf溶液中加入0.02g的zno納米顆粒，繼續(xù)攪拌至zno納米顆粒分散均勻得紡絲前驅(qū)體溶液；控制紡絲電壓3.5千伏、紡絲距離7mm，鋁箔作為陰極，將柔性絕緣基底1放在鋁箔上作為接收襯底，通過近場電紡在柔性絕緣基底1上形成有序排列的平行線狀的微納米纖維陣列(如圖2所示)即得敏感材料5；

(3)器件組裝：在步驟(2)所得的pvdf/zno微納米纖維陣列兩端沿垂直纖維軸向方向印刷銀膠4并將銅線2引出作為器件電極；

(4)覆膜保護：在pvdf/zno微納米纖維陣列表面涂覆pdms膠膜3作為保護層。

由上述方法制得的柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，所述的壓力敏傳感器以近場電紡制得的有序排列的pvdf/zno復(fù)合微納米纖維陣列作為敏感材料5，該敏感材料5設(shè)置于柔性絕緣基底1表面，所述的柔性絕緣基，1為pet膠片，敏感材料5的兩端分別設(shè)置電極，所述的電極包括印刷于力敏材料5兩端的銀膠4和與銀膠4連接的銅線2，所述的敏感材料5的表面還覆蓋有保護層，所述的保護層為涂覆于敏感材料5表面的pdms膠膜3。

壓力敏感性能測試：本實施例的壓力傳感器在無外加電源的情況下仍能測試壓力變化，在無外接電源情況下將該壓力傳感器連接電流表，向敏感材料施加壓力，保持10秒鐘，隨后去除壓力10秒，如此以20秒為一個周期，反復(fù)循環(huán)五個周期，同時記錄電流表顯示電流數(shù)值，繪制電流-時間曲線，最大電流為1.8×10^-10a，即得無外加電源時該柔性壓力傳感器的壓力響應(yīng)曲線(如圖3所示)。同時，在接入外接電源時該柔性壓力傳感器也能實現(xiàn)壓力測試功能，將該柔性壓力傳感器連接5伏恒壓電源和電流表，向敏感材料施加壓力，保持50秒鐘，隨后去除壓力50秒，如此以100秒為一個周期，反復(fù)循環(huán)五個周期，同時記錄電流表顯示電流數(shù)值，繪制電流-時間曲線，電流最大值為2.25×10^-9a，與無壓力下電流比值為imax/i0＝50，即得5伏外加電源時該柔性壓力傳感器的壓力響應(yīng)曲線(如圖4所示)。由圖3和圖4可以看出不論在是否外接電源的情況下該柔性力敏傳感器都能快速、靈敏的測量反應(yīng)壓力變化情況。

以上所列舉的實施方式僅供理解本發(fā)明之用，并非是對本發(fā)明所描述的技術(shù)方案的限定，有關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在權(quán)利要求所述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，還可以作出多種變化或變形，所有等同的變化或變形都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明未詳述之處，均為本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。