一种电容式超薄柔性应力传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及柔性应力传感器技术领域，特别涉及一种可测量大拉伸范围的电容式超薄柔性应力传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]柔性导电材料例如碳纳米管、金属或金属氧化物纳米线、导电聚合物特别是水溶性聚(3，4-乙撑二氧噻吩)PEDOT、石墨烯、以及它们的纳米复合材料越来越多的应用于电子器件，特别是可拉伸器件。柔性应力传感器具有柔性特性，既能贴附于不规则物体或刚性物体表面、也能贴附于人体皮肤，作为可穿戴的人体健康监测设备检测，如脉搏、心率、喉咙发声等小压力的检测；作为人类动作捕捉系统和机器人的感知传感器等领域有着潜在的应用。
[0003]电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。传统的电容式传感器为单一类型，只能测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化或对角位移和较大的线位移进行测量。传统高灵敏度可拉伸的压力传感器通常是由微小结构非导电性的橡胶层制成。曾有报道关于基于透明塑料薄膜作衬底的碳纳米管压力拉伸传感器，这类传感器具有很高的透明度。虽然这种应力传感器可以同时测量压力和拉伸，但是在输出的时候并不能明显的区分这两个物理量。传统的应变传感器依靠测量金属的拉伸而被广泛的应用于各类传感器。但是一些灵活的部件要求在更大范围的拉伸时(拉伸超过100%)仍然可以进行拉伸测量。因此对宽测量范围的、灵活可拉伸的应力传感器提出了新的要求。
[0004]同时，国内外学者在超薄可拉伸电容器方面做了很多探索。例如，基于纳米多孔金的全固态超薄超级电容器储能器件(Adv.Mater.，23(35):4098-4101, 2011)总厚度可控制在一微米以下，比之前国际上报道的结果降低了近两个数量级；同时该器件还具有很高的功率和能量密度及良好的充放电循环特性。中国专利(申请号CN200910011632.7)公开了一种石墨烯基柔性超级电容器及其电极材料的制备方法，从理论上说明了石墨烯薄膜可作为一种理想的柔性电极材料，并基于石墨烯薄膜，通过电沉积过程改性、组装得到了可以弯折柔性超级电容器，但未讨论其拉伸效果。最近，《自然通讯》报道了一种基于石墨烯的柔性超级电容器(Nature Commun.，4:1475 (2013))，按文中方法易于实现大规模生产，但是所制备的器件必须依赖于衬底，无法实现自支撑。中国专利(申请号:CN201410233432.7)公开了一种石墨烯/碳纳米管复合纤维基超级电容器的制备方法，该一维形态的超级电容器更适应于柔性微型器件，但力学性能较差。中国专利(申请号:CN201420805725.3)公开了基于石墨烯/碳纳米管复合材料的超级电容器，解决了碳纳米管根部容易断裂、力学性能差的问题，但组装过程复杂，复合材料与电解液接触面性能不稳定。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种电容式超薄柔性应力传感器及其制备方法，该应力传感器可大范围拉伸，可用于测量大拉伸范围，该应力传感器的电容由其拉伸后的感应面积决定，且该应力传感器的制备工艺简单，具有很好的应用前景。
[0006]为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下:
[0007]一种电容式超薄柔性应力传感器，包括下层弹性保护薄膜，位于下层弹性保护薄膜上方的底面电纺纳米纤维导电膜电极，覆盖在底面电纺纳米纤维导电膜电极上方的中间弹性绝缘隔离薄膜，位于中间弹性绝缘隔离薄膜上方的上层电纺纳米纤维导电膜电极，覆盖在上层电纺纳米纤维导电膜电极上方的上层弹性保护薄膜，以及分别连接上层电纺纳米纤维导电膜电极和底面电纺纳米纤维导电膜电极，且延伸出上层弹性保护薄膜和下层弹性保护薄膜外的两个金属电极；所述上层电纺纳米纤维导电膜电极和底面电纺纳米纤维导电膜电极分别为利用静电纺丝/喷涂法制备的定向沉积在中间弹性绝缘隔离薄膜上表面和下层弹性保护薄膜上表面的导电纳米纤维膜。
[0008]进一步的，所述上层弹性保护薄膜、中间弹性绝缘隔离薄膜和下层弹性保护薄膜均为聚氨酯弹性薄膜，所述聚氨酯弹性薄膜的厚度为50?100微米。
[0009]进一步的，所述的上层电纺纳米纤维导电膜电极和底面电纺纳米纤维导电膜电极为电纺碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒、导电聚合物、或者复合纳米纤维膜。
[0010]该传感器主要由聚氨酯组成。与硅树脂不同，聚氨酯具有更好的抗磨损抗撕裂性能，产生更小的残余应变。传感器的电极采用碳纳米管、石墨烯、导电聚合物、及其复合纳米纤维等，这些纳米纤维的材料和聚氨酯具有很好的相容性，使得材料间结合的更好，该电容式超薄柔性应力传感器的性能更加稳定。
[0011]进一步的，所述的金属电极为铜箔或铝箔。
[0012]该电容式超薄柔性应力传感器的工作原理:假设传感器的厚度为d，高度和宽度分别为h和W。电容传感器由中间层和电极组成，电容公式C =其中相对介电常数，Stl为真空中的介电常数，传感器的面积S = hw。由于薄膜的泊松比(横向变形系数)大约为0.5，所以传感器的感应部分体积为恒定的V = Sd。假设Be= ε则电容公式可以表达成C= ε eS2，与传感面积的平方成正比，而与拉伸方向没有直接关系。由此可见，当该电容式超薄柔性应力传感器随拉力拉伸时，传感面积发生变化，电容器的电容也会随之变化，将该电容器连如电路，其电信号也会显示出相应的变化，成功的将传感器的拉伸形变转化为电信号反映出来。
[0013]本发明还公开了所述的电容式超薄柔性应力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0014]I)裁剪三块等大小的弹性薄膜，分别作为上层弹性保护薄膜、中间弹性绝缘隔离薄膜和下层弹性保护薄膜；
[0015]2)配置含导电物质的电纺丝前驱液，用具有定向沉积功能的静电纺丝/喷涂装置在步骤I)制得的下层弹性保护薄膜上方喷涂一层导电纳米纤维膜，即制得底面电纺纳米纤维导电膜电极，将一块金属电极和底面电纺纳米纤维导电膜电极固定在一起，所述金属电极与底面电纺纳米纤维导电膜电极直接接触，金属电极延伸出下层弹性保护薄膜外。
[0016]3)将步骤I)制得的中间弹性绝缘隔离薄膜直接固定覆盖在步骤2)制得的底面电纺纳米纤维导电膜电极上，所述中间弹性绝缘隔离薄膜的边缘与下层弹性保护薄膜的边缘对齐。
[0017]4)配置含导电物质的电纺丝前驱液，用具有定向沉积功能的静电纺丝/喷涂装置在中间弹性绝缘隔离薄膜上方喷涂一层导电纳米纤维膜，即制得上层电纺纳米纤维导电膜电极，将一块金属电极和上层电纺纳米纤维导电膜电极固定在一起，所述金属电极与上层电纺纳米纤维导电膜电极直接接触，金属电极延伸出中间弹性绝缘隔离薄膜外。
[0018]5)将步骤I)制得的上层弹性保护薄膜直接固定覆盖在步骤4)制得的上层电纺纳米纤维导电膜电极上，所述的上层弹性保护薄膜的边缘与中间弹性绝缘隔离薄膜的边缘对齐，即制得所述的电容式超薄柔性应力传感器。
[0019]进一步的，所述步骤I)使用的弹性薄膜为厚度为50?100微米的聚氨酯弹性薄膜。
[0020]进一步的，所述步骤2)中配置的电纺丝前驱液中含有碳纳米管、石墨烯、金纳米颗粒、导电聚合物中的一种或多种。
[0021]进一步的，步骤2)中所述的具有定向沉积功能的静电纺丝装置为气流引导式定向原位静电喷涂装置。
[0022]本发明的有益效果为:本发明提供了一种电容式超薄柔性应力传感器及其制备方法，该应力传感器可大范围拉伸，可用于测量大拉伸范围，该应力传感器的电容由其拉伸后的感应面积决定，且该应力传感器的制备工艺简单，具有很好的应用前景。具体而言:
[0023](I)该传感器主要由聚氨酯组成，与硅树脂不同，聚氨酯具有更好的抗磨损抗撕裂性能，产生更小的残余应变，使得该传感器具有更好的拉伸性能，其最大拉伸量可达100%以上，更适用于