本发明涉及物理量检测领域，更具体地涉及一种压敏薄膜、压敏薄膜的制作方法以及一种压力传感器。
背景技术：
现有的压力传感器大都是采用电磁感应原理来实现压力检测，在传感器的使用过程中，由于受到周围电磁设备或应用中的机器的干扰，通常会导致传感器的电磁信号失灵，产生压力检测不准确的问题。
因此，亟需一种抗干扰能力更强的压力传感材料及装置。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种吸收光谱对压力敏感的压敏薄膜及其制作方法，本发明的目的还在于提供一种压力传感器，其抗电磁干扰能力更强。
根据本发明的一方面，提供一种压敏薄膜的制作方法，包括：制备包括一维或二维金属纳米粒子的第一溶液；制备包括与所述金属纳米粒子相容的聚合物的第二溶液；以及将所述第一溶液与所述第二溶液混合，去除混合溶液的水分，得到所述压敏薄膜，其中，在将所述第一溶液与所述第二溶液混合前，向所述第二溶液中加入塑性剂。
优选地，所述塑性剂为预定分子量范围的聚乙二醇。
优选地，所述金属纳米粒子为金、铂、钯中任一种金属的纳米片或纳米棒。
优选地，所述聚合物为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基硅氧烷中的任一种。
优选地，所述制备包括一维或二维金属纳米粒子的第一溶液包括：制备金属种子溶液；制备对应的金属生长溶液；将所述金属种子溶液加入至所述金属生长溶液中，进行金属种子生长；以及离心处理并去除上清液，得到所述第一溶液。
优选地，所述制备金属种子溶液包括：将氯金酸与十六烷基三甲基溴化铵溶液混合；加入硼氢化钠溶液并持续搅拌预定时长，得到所述金属种子溶液。
优选地，所述制备对应的金属生长溶液包括：将氯金酸、十六烷基三甲基溴化铵溶液以及硝酸银溶液混合；加入抗坏血酸溶液，得到所述金属生长溶液。
优选地，将所述金属种子溶液加入至所述金属生长溶液中之前，将所述金属种子溶液静置20至60分钟。
优选地，所述制备包括与所述金属纳米粒子相容的聚合物的第二溶液包括：将所述聚合物的粉末加入至水中；加热并持续搅拌，使得所述聚合物完全溶解于水中。
优选地，所述聚合物与水的质量比例为1∶9。
根据本发明的又一方面，提供一种压敏薄膜，根据上述的压敏薄膜的制作方法制得。
根据本发明的再一方面，提供一种压力传感器，包括：支撑结构，包括固定部与活动部；第一透光块和第二透光块，位于所述固定部与所述活动部之间，所述第一透光块与所述固定部接触，所述第二透光块与所述活动部接触；上述的压敏薄膜，夹设在所述第一透光块与所述第二透光块之间；以及光发射模块和光检测模块，所述支撑结构位于所述光发射模块与所述光检测模块之间，其中，所述固定部设有与所述压敏薄膜位置对应的第一通孔，所述活动部设有与所述压敏薄膜位置对应的第二通孔，所述第一通孔、所述第一透光块、所述压敏薄膜、所述第二透光块以及所述第二通孔形成光的通路，所述光发射模块发出的光通过所述通路到达所述光测试模块。
优选地，所述压力传感器还包括：导向柱，所述导向柱一端与所述固定部固定，另一端穿过所述活动部，所述活动部沿所述导向柱运动；配重块，与所述活动部连接。
根据本发明的压敏薄膜及其制作方法，由具有局域表面等离子共振行为的一维或二维金属纳米粒子与聚合物材料制成一种复合薄膜。其中，金属纳米粒子具有两个共振模式，其一为入射光沿着垂直于其轴向的偏振激发的横向共振峰，另一为沿其轴向电子振荡导致的纵向共振峰。纵向共振峰和横向共振峰的比值会随金属纳米粒子的轴向与入射光方向的夹角的变化而变化。压敏薄膜在受压前，其内的金属纳米粒子均匀分布于聚合物薄膜中，金属纳米粒子在聚合物薄膜中的取向分布可认为是随机的；当对压敏薄膜施加压力时，薄膜会产生变形，金属纳米粒子会从杂乱分布变为取向分布，金属纳米粒子取向的变化会引起它的两种共振峰比值的变化，通过该比值的变化可以得到压敏薄膜所受压力的大小。
根据本发明的压敏薄膜及包括该压敏薄膜的压力传感器，利用压力对薄膜吸收光谱的影响，通过检测器吸收光谱的变化可实现对压力变化的掌握，与现有基于电磁感应设计压力传感器械相比，能避免周边电磁对检测数据的干扰，提高压力检测的准确性。
根据本发明的压敏薄膜的制作方法，在将所述第一溶液与所述第二溶液混合前，向所述第二溶液中加入塑性剂。通过调节该塑性剂的剂量，可以控制制得的压敏薄膜的硬度，从而更容易掌握薄膜所受压力与吸收光谱的对应关系，方便对其应用。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出本发明实施例的压敏薄膜的制作方法的框图；
图2a示出本发明实施例的单个金纳米棒与入射光夹角的示意图；
图2b示出本发明实施例的单个金纳米棒在不同取向下消光光谱的模拟结果；
图2c示出本发明实施例的金纳米棒纵向共振峰与横向共振峰的比值随其取向变化的关系图；
图3a示出本发明实施例的压敏薄膜受压前金纳米棒取向的示意图；
图3b示出本发明实施例的压敏薄膜受压后金纳米棒取向的示意图；
图4示出本发明实施例的压力传感器的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明实施例提供一种压敏薄膜的制作方法，图1示出该压敏薄膜的制作方法的框图。
在步骤s111中，制备包括一维或二维金属纳米粒子的第一溶液。
金属纳米粒子可以为金、铂、钯或者其他贵金属中任一种金属，纳米粒子形态可以是纳米片、纳米棒或其他一维或二维纳米粒子。以下将以该金属纳米粒子是金纳米棒为例对制备第一溶液的方法进行详细说明。
制备第一溶液的步骤可以包括：先制备金属种子溶液和制备对应的金属生长溶液，然后将所述金属种子溶液加入至所述金属生长溶液中，进行金属种子生长，接着离心处理并去除上清液，得到所述第一溶液。
其中，制备金属种子溶液可以包括：先将氯金酸与十六烷基三甲基溴化铵溶液混合，然后加入硼氢化钠溶液并持续搅拌预定时长，得到所述金属种子溶液。
制备对应的金属生长溶液可以包括：先将氯金酸、十六烷基三甲基溴化铵溶液以及硝酸银溶液混合，然后加入抗坏血酸溶液，得到所述金属生长溶液。
将所述金属种子溶液加入至所述金属生长溶液中之前，可以先将所述金属种子溶液静置20至60分钟。
在一个示例性试验中，上述包含金纳米棒的第一溶液的制备过程可以是：先制备金种子，将0.5～4ml的浓度为0.2～0.8mm(m＝mol/l，下同)的氯金酸溶液与0.5～4ml的浓度为0.05～0.4m的十六烷基三甲基溴化铵溶液进行混合，然后在搅拌的同时向混合溶液中注入30～600μl的浓度为0.005～0.03m的硼氢化钠溶液，搅拌持续1～5min，待溶液颜色从黄色变为棕黄色，制得金种子溶液。制备生长溶液时，首先在40ml浓度为0.05～0.4m的十六烷基三甲基溴化铵溶液中加入预定量的硝酸银溶液，例如是加入0.1～2ml的浓度为0.005～0.03m的硝酸银溶液，然后加入40ml浓度为0.5～4mm的氯金酸溶液。将溶液混合均匀后向其中滴加0.2～2ml浓度为0.03～0.2m的抗坏血酸溶液，待溶液颜色从暗黄色逐渐变为无色，制得对应的生长溶液。最后，将50～300μl上述金种子溶液注入到上述生长溶液中，搅拌1～5min后将混合溶液放入20～40℃的水浴环境中静置30～60min，进行种子生长。种子生长过程结束后，将溶液离心20～40min后除去上清液，得到包含金纳米棒的第一溶液。需要说明的是，在将所述金种子溶液加入至上述的生长溶液中之前，可以先将金种子溶液静置20～60min。
在步骤s121中，制备包括与上述金属纳米粒子相容的聚合物的第二溶液。
该聚合物可以是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基硅氧烷等，优选与上述金属纳米粒子相容性好的高分子材料。以下将以聚合物是聚乙烯醇为例对制备第二溶液的方法进行详细说明。
制备第二溶液的过程可以包括：将所述聚合物的粉末加入至水中，然后加热并持续搅拌，使得所述聚合物完全溶解于水中。
具体地，对应于上述示例性试验，制备第二溶液可以是：将聚乙烯醇粉末加入至水中，聚乙烯醇与水的质量比例例如为1∶9。在机械搅拌下，将上述过程得到混合液加热到75～95℃。持续搅拌4～12h，直到聚乙烯醇完全溶解于水中，然后将溶液冷却至室温，得到含聚乙烯醇的重量百分率为10％的第二溶液。
在步骤s131中，将所述第一溶液与所述第二溶液混合，去除混合溶液的水分，得到所述压敏薄膜。
本实施例中，在步骤s131之前，可以先进行步骤s122，即向所述第二溶液中加入塑性剂。
塑性剂可以是预定分子量范围的聚乙二醇，例如是聚乙二醇400(peg400)。通过调节该塑性剂的剂量，可以控制最终制得的压敏薄膜的硬度。
与上述示例性试验对应，将上述得到的第二溶液中混入聚乙二醇后，上述步骤s131具体可以为：向该第二溶液加入200～800μl浓度为2～5mg/ml的第一溶液，通过磁力搅拌混合均匀后倒入烧杯中。将混合溶液置于室温下，待水分完全蒸发后，在烧杯底部得到一层薄膜，将薄膜从烧杯底部撕下，即得到本实施例的压敏薄膜。
本发明实施例还提供一种压敏薄膜，其根据上述压敏薄膜的制作方法制得。
根据上述的压敏薄膜及其制作方法，通过具有局域表面等离子共振行为的一维或二维金属纳米粒子与聚合物材料制成一种复合薄膜，具体地，在上述实施例中，通过将金纳米棒与聚乙烯醇进行复合得到压敏薄膜。其中，金纳米棒具有两个共振模式，其一为入射光沿着垂直于其轴向的偏振激发的横向共振峰，其波长较小，波峰位置位于512纳米左右；另一为沿其轴向电子振荡导致的纵向共振峰，其波长较大，波峰位置与金纳米棒的长径比有关。
图2a示出本实施例中单个金纳米棒与入射光夹角的示意图，其中多个箭头示出入射光的方向，夹角a即单个金纳米棒311的轴向与入射光的夹角，不同大小的夹角a对应于金纳米棒311的不同取向。
图2b示出单个金纳米棒在不同取向下消光光谱的模拟结果，图中沿箭头方向的多条曲线对应的夹角a的大小递减，当金纳米棒与入射光的夹角a从90度减少至0度时，纵向共振峰的强度逐渐减小。
图2c示出金纳米棒纵向共振峰与横向共振峰的比值随其取向变化的关系图，纵向共振峰与横向共振峰的比值会随金纳米棒轴向与入射光方向的夹角a的增大而逐渐增大。
图3a和图3b分别示出本实施例的压敏薄膜受压前和受压后金纳米棒取向的示意图。压敏薄膜310在受压前，其内的金纳米棒311均匀分布于聚合物薄膜312中，金纳米棒311在聚合物薄膜312中的取向分布可认为是随机的；当对压敏薄膜310施加压力时，聚合物薄膜312会产生变形，金纳米棒311会从杂乱分布变为取向分布，金纳米棒311取向的变化会引起上述两种共振峰比值的变化，通过该比值的变化可以判断压敏薄膜310所受压力的大小。
因此，根据本发明的压敏薄膜制作方法及其制得的压敏薄膜，利用其吸收光谱对压力敏感的特性，可以代替传统利用电磁感应原理的压敏传感单元应用于压敏传感器中，从而避免周边的电磁对检测数据的干扰，提高压力检测的准确性。
在上述实施例的制作方法中，在将所述第一溶液与所述第二溶液混合前，向所述第二溶液中加入了塑性剂。通过调节该塑性剂的剂量，可以控制制得的压敏薄膜的硬度，从而更容易掌握薄膜所受压力与吸收光谱的对应关系，方便对其应用。
本发明实施例还提供一种压力传感器，图4示出本发明实施例的压力传感器的示意图，该压力传感器包括：支撑结构410、第一透光块421和第二透光块422、压敏薄膜310、光发射模块431和光检测模块432。支撑结构410包括固定部411和活动部412，固定部411与活动部412之间相隔预定距离，第一透光块421和第二透光块422位于固定部411与活动部412之间，其中第一透光块421与固定部411接触，第二透光块422与活动部412接触。本实施例的压敏薄膜310可以是上述实施例中的压敏薄膜，其夹设在第一透光块421与第二透光块422之间。光发射模块431和光检测模块432也相互隔开，支撑结构410位于光发射模块431与光检测模块432之间，本实施例中，光发射模块431位于靠近支撑结构410的活动部412的一侧，光检测模块432位于靠近支撑结构410的固定部411的一侧，当然可以理解的是，上述光发射模块431与光检测模块432的位置也可以对调。
第一透光块421和第二透光块422可以是蓝宝石材质，其兼备透光和传递压力的能力。光发射模块431和光检测模块432例如是对应发射和检测紫外-可见光的光发射装置和光检测装置。
进一步地，本实施例的压力传感器还包括导向柱440和配重块450。导向柱440可以是多个，每个导向柱440的一端与固定部411固定，另一端穿过活动部412，活动部412可以沿导向柱440来回运动。配重块450与活动部412连接，例如是安装在活动部412面向光发射模块431的一面上。
固定部411设有与压敏薄膜310位置对应的第一通孔461，活动部412设有与压敏薄膜310位置对应的第二通孔462，此外本实施例在配重块450上还设有与压敏薄膜310位置对应的第三通孔463。上述的第一通孔461、第一透光块421、压敏薄膜310、第二透光块422、第二通孔462以及第三通孔463形成光的通路，图中箭头示出光发射模块431发出的光的照射方向，其可以通过所述通路到达光测试模块432。
当对压力传感器施加压力时，支撑结构410受到的压力通过第一透光块421和第二透光块422传递至压敏薄膜310上，压敏薄膜310会产生变形，其内金属纳米粒子会从杂乱分布变为取向分布，金属纳米粒子取向的变化会引起它的纵向共振峰与横向共振峰的比值的变化，通过观察光测试模块432吸收光谱的变化可以得到压敏薄膜310所受压力的大小。与现有基于电磁感应设计的压力传感器械相比，本发明的压力传感器能避免周边电磁对检测数据的干扰，提高压力检测的准确性。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。