[发明专利]一种氧化锌基微纳米纤维阵列柔性压力传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于柔性电子器件领域，具体涉及一种氧化锌基微纳米纤维阵列柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

压力传感器是监测物体受到压力产生电流(或电压)的一种传感器，是一种自发电式传感器。压电传感元件是力敏感元件，通过受力来改变电流(或电压)来实现对所受压力的检测。压力传感器是直接与被测介质接触的现场测试器件，可以用于商场、酒店等公共场所的自动扶梯和自动门的自动感应器，也可用于汽车安全气囊、防抱死系统，并广泛应用于电力，石油，化工及医学等领域。

随着科学技术的发展，对压力传感器的性能提出了新的挑战，迫切需要开发微型、柔性、高精度、低能耗的压力传感器。为了改进压力传感器，研究者们做出了不懈的努力，中国专利(专利号ZL201210196840.0)公开了一种柔性力敏传感器的制备方法，在电纺PVDF纤维表面包裹聚苯胺层构成弯曲应变敏感层，但其仍需要外加电压，能耗较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术缺陷，提供一种氧化锌基微纳米纤维阵列柔性压力传感器及其制备方法。该压力传感器由微纳米材料制得，可制成小尺寸的微型传感器，且灵敏度高、力学性能好可任意弯曲，能耗低、制备方法简单，成本低，有较好的应用前景。

为了解决上述问题，本发明提供了一种氧化锌基微纳米纤维阵列柔性压力传感器，所述的压力敏传感器以近场电纺制得的有序排列的PVDF(聚偏氟乙烯)/ZnO复合微纳米纤维阵列作为敏感材料，该敏感材料设置于柔性绝缘基底表面，敏感材料的两端分别设置电极，所述的电极垂直于PVDF/ZnO复合微纳米纤维轴向方向设置。

该力敏传感器采用近场电纺制得的有序排列的PVDF(聚偏氟乙烯)/ZnO复合微纳米纤维阵列作为敏感材料，该材料通过近场电纺方法制得，相较于其他的敏感材料制备方法制备更加简单且成本更低。纳米氧化锌颗粒是一种高端的高功能精细无机产品，具有压电性、非迁移性、吸收和散射紫外线能力，可作为压电材料、压敏电阻等。聚偏氟乙烯(PVDF)是一类广泛应用的高分子材料，根据处理条件不同，可以得到多种不同的结晶相，其中α相具有优异的力学性能，β相具有较强的压电、介电、热电性能；此外，PVDF还有原料便宜、耐化学腐蚀性、耐氧化性、耐磨性、柔韧性好等优点，已经在石油化工、电子电气、氟碳涂料等领域得到了广泛的应用，两种材料的结合使得复合材料的性能更加优越，PVDF/ZnO复合微纳米纤维在近场电纺过程中，PVDF在电场力的作用下易形成具有压电特性的β相，同时ZnO纳米颗粒具有优异的压电性相结合，促使PVDF/ZnO微纳米纤维具有更强的压力敏感性，在压力作用下产生随压力大小变化的电压，因此在无外加电压源的情况下，直接将该压力传感器连接电流表，敏感材料所受压力变化时，电流表显示数值随之变化，即无需外加电源即可实现对敏感材料表面压力变化情况的测试，相较于现有压力敏传感器该装置的能耗更低。当然，该传感器也可以配合外加电压源使用，同样可以快速感应压力变化。用近场纺丝法在柔性绝缘基底表面制备的PVDF/ZnO复合微纳米纤维作为敏感材料，其比表面积相对于传统的膜材料大，能够更好的感应压力变化，反应更加精确灵敏。且PVDF/ZnO复合微纳米纤维结合了两种材料的特点具有较好的力学性质，可随柔性绝缘基底形变，更灵活的适应不同的使用环境。

优选的，所述的柔性绝缘基底为PET胶片。

优选的，所述的敏感材料中PVDF和ZnO纳米颗粒的质量比为110:1。

优选的，所述的敏感材料的表面还覆盖有保护层。保护层可以更好的保护敏感材料延长传感器的使用寿命，同时可以隔绝外界环境，防止对敏感材料产生干扰，使响应信号更加精确。

优选的，所述的电极包括印刷于力敏材料两端的银胶和与银胶连接的铜线。

优选的，所述的保护层为涂覆于敏感材料表面的PDMS(聚二甲基硅氧烷)胶膜。

本发明还公开了所述的氧化锌基微纳米纤维阵列柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)裁剪基底材料：按使用需求选取合适的材料作为柔性绝缘基底，并将柔性绝缘基底裁剪为合适的大小；

(2)制备敏感材料：利用低压近场电纺丝方法在步骤(1)所得的柔性绝缘基底上制备有序排列的PVDF/ZnO复合微纳米纤维阵列作为敏感材料；

(3)器件组装：在步骤(2)所得的PVDF/ZnO微纳米纤维阵列两端制备电极即得压力敏传感器。