一种自修复传感芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自修复传感芯片及其制备方法，具体涉及一种离子液体或纳米粒 子掺杂的离子液体填充的自修复温度传感芯片及其制备方法，属于传感器领域。
【背景技术】
[0002] 传感器是信息时代获取自然和生产领域中信息的主要途径和手段，其在工业生 产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等广泛领 域都有重要应用，是仪器设计制造的重要组成部分。目前传感器主要由金属或者半导体等 具有一定刚性的材料来制备，一旦受到外力破坏，其传感性能一般难以恢复，表现出对外部 环境的脆弱性。随着自修复概念的提出与自修复材料的探索，科研人员设计了一些自修复 电子元件，如斯坦福大学的鲍哲楠设计的自修复电容器，复旦大学彭慧胜设计的自修复导 线等。由于它们具有与传统电子元件不同的自我修复属性而被称为下一代电子元件，而自 修复传感器作为有重要应用价值的自修复电子元件，其设计制造方法一直是一个难点，目 前还没有能够相对简便而系统地制备自修复传感器的方法。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种自修复传感芯片及其制备方法，本发明自修复传感器具 有受到外界破坏后能够修复，以恢复到破坏前传感性能的特性；本发明能够通过填充离子 液体制备温度传感器，通过填充酸化碳纳米管实现近红外光传感，通过填充掺杂二氧化硅 包裹的四氧化三铁纳米粒子实现交变电磁场传感，均具有很好的可拓展性。
[0004] 本发明提供的自修复传感芯片，它包括内部设有微流道的芯片本体，其特征在于： 所述微流道的两端分别通过开设在所述芯片本体上的开口与外界相通，形成电极接口；
[0005] 所述电极接口连接有与之相匹配的电极；
[0006] 所述微流道内填充有离子液体或纳米粒子掺杂的离子液体。
[0007] 上述的传感芯片，所述微流道呈蛇形回路；
[0008] 所述离子液体为1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐；
[0009] 所述纳米粒子掺杂的离子液体为掺杂具有光热转换能力的纳米粒子的离子液体 或掺杂具有磁热转换能力的纳米粒子的离子液体；
[0010] 所述纳米粒子掺杂的离子液体中掺杂纳米粒子的质量百分浓度为〇. 5~5%。
[0011] 上述的传感芯片，所述微流道的蛇形回路是由7个直行通道首尾均通过弧形通道 连接成的回路结构，该结构能保证传感过程中传感基元能够充分接受外界的刺激信号，进 而提升传感元件的传感灵敏度和降低检测限，而微流道的存在，可以保证流道内的工作物 质依赖自身的毛细作用力在传感芯片受到破坏断裂后不会流出。
[0012] 上述的传感芯片，所述掺杂具有光热转换能力的纳米粒子的离子液体为掺杂酸化 碳纳米管的1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐；
[0013] 所述掺杂具有磁热转换能力的纳米粒子的离子液体为掺杂表面包裹二氧化硅的 四氧化三铁纳米粒子的1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐；
[0014] 所述离子液体的电导率随温度升高而显著增大，因此可以用于精确的温度检测； 所述离子液体通过所述掺杂具有光热转换能力的纳米粒子（酸化碳纳米管）或所述具有磁 热转换能力的纳米粒子（表面包裹二氧化娃的四氧化三铁纳米粒子），能进一步拓展到对 近红外光或交变电磁场的检测；而它作为一种流体，其流动性使得彼此分开的两部分接上 后又能连成一体，因此可以用于自修复器件的设计。
[0015] 本发明中，所述掺杂酸化碳纳米管的1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐是按照如下 方法制备：将Ig碳纳米管（深圳纳米港有限公司）加入8~15ml的浓酸溶液中（浓硫酸 与浓硝酸体积比3:1配得），混合超声8小时以上，然后加入足量水（100ml以上）后离心， 将上层清液去掉，重复加水离心三次以上，出去多余的酸，接着在加入同样量的丙酮再离心 并重复三次，得到最终的沉淀物在冻干机中冻干，得到酸化碳纳米管；将所述酸化碳纳米管 与1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐混合，超声半小时使其充分分散，即得到所述掺杂酸化 碳纳米管的1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐；
[0016] 所述掺杂表面包裹二氧化硅的四氧化三铁纳米粒子的1-辛基-3-甲基咪唑六氟 磷酸盐是按照如下方法制备：将3. 24gFeCl3, 2. 74gFeCl2 · H2O溶于约75ml水中，加入30ml 质量分数为10%的聚乙二醇（PEG，分子量4000)水溶液，然后在搅拌下逐滴加入浓氨水， 并于80°C水浴条件下搅拌1小时，边加热边通氮气，然后离心，分别用水和乙醇洗三次后在 60°C真空烘箱中烘干得到四氧化三铁纳米粒子；取Ig得到的四氧化三铁纳米粒子，加入装 有30ml水和150ml乙醇的烧杯中，超声15分钟，将液体倒入三口瓶中加热至60°C后，向其 中加入2ml浓氨水和4ml正硅酸乙酯，搅拌反应6小时，制得二氧化硅包裹的四氧化三铁 纳米粒子；将二氧化硅包裹的四氧化三铁纳米粒子与1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐混 合，超声半小时使其充分分散，即得到所述掺杂表面包裹二氧化硅的四氧化三铁纳米粒子 的1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
[0017] 上述的传感芯片，所述芯片本体采用自修复高分子材料制成；
[0018] 所述芯片本体的厚度为1~3mm，具体可为I. 8mm，所述芯片本体的厚度影响传热， 从而影响温度的响应；
[0019] 所述微流道的宽为0· 2~I. 2mm，具体可为1mm，深度为0· 2~I. 2mm，具体可为 Imm ；
[0020] 所述自修复高分子材料为基于氢键的超分子高分子材料。
[0021] 上述的传感芯片，所述基于氢键的超分子高分子材料具体制备过程如下：
[0022] 将多元混酸与二乙烯基三胺按质量比为5 :2混合，在氮气氛围下，160°C下反应24 小时得到中间产物I，将中间产物I在氯仿中溶解，然后用水与甲醇体积比为2 :1的混合 溶液萃取三次，最后真空除去溶剂，得到中间产物II ;在中间产物II中加入15%同等质量 的尿素，在氮气氛围下，135°C下反应24小时，即得到所述基于氢键的超分子高分子材料；
[0023] 其中所述多元混酸可为含有质量分数为85%的二酸，10%的三酸和余量为十八烷 酸组成，其二酸的结构式为式I所示，三酸的结构式为式II所示。
[0024]
【主权项】
1. 一种自修复传感芯片，它包括内部设有微流道的芯片本体，其特征在于：所述微流 道的两端分别通过开设在所述芯片本体上的开口与外界相通，形成电极接口； 所述电极接口连接有与之相匹配的电极； 所述微流道内填充有离子液体或纳米粒子掺杂的离子液体。
2. 根据权利要求1所述的传感芯片，其特征在于：所述微流道呈蛇形回路； 所述离子液体为1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐； 所述纳米粒子掺杂的离子液体为掺杂具有光热转换能力的纳米粒子的离子液体或掺 杂具有磁热转换能力的纳米粒子的离子液体； 所述纳米粒子掺杂的离子液体中掺杂纳米粒子的质量百分浓度为〇. 5~5%。
3. 根据权利要求2所述的传感芯片，其特征在于：所述微流道的蛇形回路是由7个直 行通道首尾均通过弧形通道连接成的回路结构。
4. 根据权利要求2或3所述的传感芯片，其特征在于：所述掺杂具有光热转换能力的 纳米粒子的离子液体为掺杂酸化碳纳米管的1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐； 所述掺杂具有磁热转换能力的纳米粒子的离子液体为掺杂表面包裹二氧化硅的四氧 化三铁纳米粒子的1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的传感芯片，其特征在于：所述芯片本体采用自修 复高分子材料制成； 所述芯片本体的厚度为1~3mm ; 所述微流道的宽为〇. 2~I. 2mm，深度为0. 2~I. 2mm ; 所述自修复高分子材料为基于氢键的超分子高分子材料。
6. 根据权利要求5所述的传感芯片，其特征在于：所述自修复高分子材料按照下述方 法制备：将多元混酸与二乙烯基三胺按质量比为5 :2混合，在氮气氛围下，160°C下反应24 小时得到中间产物I，将中间产物I在氯仿中溶解，然后用水与甲醇体积比为2 :1的混合 溶液萃取三次，最后真空除去溶剂，得到中间产物II ;在中间产物II中加入15%同等质量 的尿素，在氮气氛围下，135°C下反应24小时，即得到所述基于氢键的超分子高分子材料； 其中所述多元混酸可为含有质量分数为85%的二酸，10%的三酸和余量为十八烷酸组 成，其二酸的结构式为式I所示，三酸的结构式为式II所示。
7. 权利要求1-6中任一项所述的传感芯片的制备方法，包括如下步骤：1)利用模具将 所述自修复高分子材料压制成上层盖片和下层垫片，所述上层盖片的一面设有微流道，在 所述上层盖片于所述微流道的两端处分别设所述开口； 2)将所述上层盖片的微流道的一面与所述下层垫片粘合，通过所述开口向所述微流道 内灌注所述离子液体或所述纳米粒子掺杂的离子液体，所述开口形成所述电极接口，然后 所述电极接口连接有与之相匹配的电极，即得到所述传感芯片。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述上层盖片采用的模具为蛇形回路模 版； 所述上层盖片的厚度为I. 5~2mm，所述下层垫片的厚度为200~300 μ m。
9. 根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述自修复高分子材料压制的温度 为 70 ~135°C ; 所述粘合的试剂为氯仿。
10. 权利要求1-6中任一项所述的传感芯片在传感器领域中的应用。
【专利摘要】本发明公开了一种自修复传感芯片及其制备方法。它包括内部设有微流道的芯片本体，微流道的两端分别通过开设在芯片本体上的开口与外界相通，形成电极接口；电极接口连接有与之相匹配的电极；微流道内填充有离子液体或纳米粒子掺杂的离子液体。本发明自修复传感芯片应用于传感器领域中。本发明自修复传感器具有受到外界破坏后能够修复恢复到破坏前传感性能的特性；能够通过填充离子液体制备温度传感器，通过填充酸化碳纳米管实现近红外光传感，通过填充掺杂二氧化硅包裹的四氧化三铁纳米粒子实现交变电磁场传感，具有很好的可拓展性；制备过程所用技术成熟，自修复高分子成本低，且为热塑型材料，可直接压印加工成型，方法简便，适宜大面积生产。
【IPC分类】G01K7-00, G01D5-12
【公开号】CN104833376
【申请号】CN201510202420
【发明人】王亚培, 贺泳霖
【申请人】中国人民大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月24日