[发明专利]一种柔性无源压力传感器、制备方法、可穿戴触觉传感器

说明书

本发明属于新型柔性传感器技术领域，公开了一种柔性无源压力传感器、制备方法、可穿戴触觉传感器，将PVDF粉末加入含有二甲基甲酰胺溶液的烧杯中，搅拌形成糊状浆料；将核壳结构的BaTiOsubgt;3/subgt;@ZnO材料加入含有二甲基甲酰胺溶液的烧杯中，超声分散；白色溶液加入PVDF透明糊状浆料中，继续搅拌形成均匀的白色糊状浆料，将浆料放置于真空干燥箱中保持；将浆料倒入制作好的模具中，使用刮刀使浆料在模具中分散均匀，将模具置于真空干燥箱中保持，浆料干燥形成压电薄膜，干燥；铝箔电极贴附在压电薄膜上下表面，使用金手指PI封装器件，直流高压电源连接上下电极，并极化，得到柔性压电压力传感器。本发明具有较高电性能输出和灵敏度。

技术领域

本发明属于新型柔性传感器技术领域，尤其涉及一种柔性无源压力传感器、 制备方法、可穿戴触觉传感器。

背景技术

近年来，由于生活习惯和饮食结构的变化，各种慢性健康疾病在中青年人 群中逐渐显现且发病率正在呈现不断上升的趋势，前往医院进行健康检测在造 成医疗设备被大量占用的同时也为人们日常生活带来诸多不便与困扰。柔性可 穿戴电子设备由于其体积小、重量轻、易携带、佩戴舒适、可实时监控、健康 环保等优点而备受人们的青睐，在下一代医疗健康监测领域展现出了无与伦比的魅力。但是电池的存在增加了便携式设备的尺寸和重量，电池的定时更换和 维护也造成诸多不便。因此，开发一种能够自供电的柔性可穿戴传感器具有非 常重要的意义。在种类众多的压力传感器中，根据压电效应开发的柔性压电压 力传感器由于结构简单、成本低廉、灵敏度高等优点，是目前研究最广泛的无 源柔性压力传感器之一。

聚偏二氟乙烯(PVDF)是一种由大量重复单元[CH₂-CF₂]组成的热塑性半结 晶聚合物，具有超高的柔软性、足够的机械强度、稳定的耐化学性和优异的压电性，在可穿戴电子设备和能量采集装置领域被广泛应用。PVDF具有α、β、δ、 γ、ε五种不同的晶相，其中，结晶的β相具有高压电系数。虽然PVDF聚合物拥 有良好的柔韧性和耐久性，但远低于无机压电材料的介电常数和压电系数d₃₃依 然是其应用上的一个巨大遗憾。为了解决这个问题，研究人员开发了两种方法： 向PVDF基质中添加功能性纳米材料破坏聚偏氟乙烯的对称结构并促进极性晶型β相的形成；向PVDF基质中添加高压电性能的基础纳米材料以提高整体压电响应。其中，氧化锌是一种纤锌矿压电材料的同时也是一种促进PVDF压电相 形成的功能性材料，无铅BTO被认为是最环保的钙钛矿材料，并提供了高压电 性能以及高介电常数。

目前，基于ZnO或BaTiO₃开发的压力传感器已经有许多报道了，但是基于 BaTiO₃@ZnO制备出的柔性自供电压力传感器鲜有报道。BaTiO₃@ZnO结构压 电材料表面ZnO加强纳米颗粒与聚合物之间的连接，提高PVDF中压电相β相的 含量，在性能上BaTiO₃和ZnO能够很好提供更高的压电系数和介电常数，提高 电压输出性能，纳米颗粒均匀的分散提高器件的灵敏度。因此，对BaTiO₃@ZnO 制备出的柔性无源压力传感器的研究意义深远。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：基于BaTiO₃@ZnO制备出 的柔性自供电压力传感器鲜有报道。BaTiO₃纳米颗粒易于团聚，导致在PVDF 基质中的分散性差，以及两个组件之间的界面孔缺陷和裂纹限制了柔性压力传 感器的性能。为此，许多研究人员向其中添加功能性材料(例如碳纳米管、石 墨烯、纤维素等)解决这些问题。遗憾的是，添加的功能性材料并不具有压电 特性；功能性材料与BaTiO₃纳米颗粒两种材料并未复合在一起，对分散性问题 解决并不彻底。