一种基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器及其制备方法

1.本发明属于压力传感器的制备技术领域，涉及一种基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器及其制备方法。


背景技术：

2.随着现代传感器技术的不断进步，柔性传感器轻薄、小型、智能的优点而使其应用越来越广泛，针对柔性传感器的研究逐渐成为热点，可穿戴设备的迅速发展对新型柔性传感器特别是柔性压力传感器产生了巨大的需求。柔性压力电容式传感器因其原理简单、响应速度快、精度高的特性成为了目前最常见的柔性压力传感器种类之一。然而如何大规模、高效率制备工作特性优良的柔性压力电容式传感器仍然是一个难题。
3.明胶是一种大分子亲水胶体，，是胶原部分水解后的产物。明胶不溶于水，但浸泡在水中时，可吸收5～10倍的水而膨胀软化，受热则溶解成胶体，冷却至35～40℃以下，成为凝胶状；由于明胶与胶原蛋白的结构和生物特性相似，因此和人体有较好的生物相容性，它还由于自身优异的高拉伸性、稳定性以及可变的机械性能，可以充当柔性电子器件的基础材料。
4.目前，基于新材料技术的柔性压力电容传感器普遍存在灵敏度低、可测量范围小等问题，在应用上也受到了一定的限制。因此如何实现柔性压力传感器的高灵敏度和宽线性范围是巨大的挑战，也是当前研究热点。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器；本发明的目的之二在于提供一种基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器的制备方法。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.1.一种基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器，所述压力电容传感器依次包括封装层、电极层、多孔链状中空结构明胶层、电极层和封装层。
8.优选的，所述多孔链状中空结构明胶层按照如下方法制备：
9.(1)将明胶溶于去离子水中，在70～90℃下搅拌后继续超声振荡使其分散均匀得到明胶溶液；
10.(2)向明胶溶液中加入铁粉，充分搅拌混合均匀后进行超声振荡使铁粉分散均匀，脱气处理后得到明胶@铁粉混合溶液；
11.(3)将明胶@铁粉混合溶液倒入模具后在磁场下导磁，冷却后得到明胶@铁粉混合胶体；
12.(4)将导磁固化后的明胶@铁粉混合胶体置于强酸中浸泡，去除铁粉后取出，用去离子水反复浸泡清洗后干燥即可得到多孔链状中空结构明胶层。
13.进一步优选的，步骤(1)中，所述明胶溶与去离子水的质量比为1:5～10。
14.进一步优选的，步骤(2)中，所述铁粉和明胶的质量比为1：0.5～4，所述铁粉的粒径为1～100um；
15.所述铁粉包括但不限于铁纳米线或羰基铁粉中的任意一种。
16.进一步优选的，步骤(2)和步骤(3)中，所述超声振荡时的温度为70～90℃。
17.进一步优选的，步骤(3)中，所述磁场的强度为300～1200mt。
18.优选的，所述电极为铝箔、银箔或铜箔中的任意一种。
19.优选的，所述封装层的材料为pdms。
20.2.上述压力电容传感器的制备方法，所述制备方法具体如下所示：采用粘结剂分别在多孔链状中空结构明胶层的上表面和下表面粘结电极，然后在电极表面采用pdms进行封装即可形成基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器。
21.优选的，所述粘结剂为pdms。
22.本发明的有益效果在于：本发明公开了一种基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器，该压力电容传感器依次包括封装层、电极层、多孔链状中空结构明胶层、电极层和封装层，以多孔链状中空结构明胶层为核心，具有平行多列的多孔链状中空结构可以提升电容传感器的灵敏度和扩大电容传感器是受力范围；同时由于该压力电容传感器中多孔链状中空结构的粒径大小、数量可根据实际应用需求设计因此可以调整传感器的性能。当有压力作用于该压力电容传感器时，其多孔链状中空结构会被压紧，介电层的多孔链状中空结构的厚度会发生改变，即压力电容传感器的两平行极板间的距离会发生改变，从而改变电容传感器的电容。另外，本发明的压力电容传感器原料价格低廉，具有成本低，灵敏度高，测量范围可调、无毒无污染等特点，且制备工艺简单，易于产业化，适合批量生产；同时由于压力电容传感器结构简单、可控性强、制作方便、响应灵敏，适用于可穿戴电子、电子皮肤、人机交互等新兴领域。
23.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
24.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
25.图1为实施例1中制备压力电容传感器的流程图；
26.图2为实施例1中制备得到的压力电容传感器的结构图；
27.图3为电容传感器的仿真模型几何结构图；
28.图4为电容传感器仿真模型仿真的压力-电容关系曲线；
29.图5为电容传感器仿真模型受到5kpa压力时的位移变化图。
具体实施方式
30.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.实施例1
32.制备一种基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器，其流程如图1所示，具体方法包括如下步骤：
33.(1)制备多孔链状中空结构明胶层：a、首先按照1:5的质量比将明胶溶于去离子水中，在90℃下搅拌20min后继续在90℃下超声振荡1h使其分散均匀得到明胶溶液；b、向明胶溶液中加入铁粉(其中明胶溶液与铁粉的质量比为1:1，铁粉的粒径为1～100um，铁粉为铁纳米线)，充分搅拌混合均匀后进行90℃下的超声振荡1h使铁粉分散均匀，脱气处理后得到明胶@铁粉混合溶液；c、将明胶@铁粉混合溶液倒入模具(该磨具的长*宽*高＝2cm*2cm*0.1cm)后在强度为1000mt的磁场下导磁30min，冷却12h后得到明胶@铁粉混合胶体；d、将导磁固化后的明胶@铁粉混合胶体置于强酸(浓度为5％～20％的盐酸溶液)中浸泡，去除铁粉后用镊子取出，用去离子水反复浸泡清洗后在60℃下的干燥箱中干燥即可得到多孔链状中空结构明胶层。
34.(2)采用pdms粘结剂将银箔电极分别粘结在多孔链状中空结构明胶层的上表面和下表面；
35.(3)采用pdms封装的方法用pdms进行封装即可形成基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器。
36.实施例1中制备一种基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器的结构如图2所示，该压力电容传感器依次包括封装层、电极层、多孔链状中空结构明胶层、电极层和封装层。
37.通过comsol软件对实施例1中制备的基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器的传感性能进行仿真，对相应的压力传感器进行模拟得到电容传感器的模型几何结构如图3所示，多孔链状中空结构明胶的几何尺寸长*宽*高＝1mm*1mm*1mm，孔的直径为0.2mm。
38.图4为电容传感器仿真模型仿真的压力-电容关系曲线。从图4可以看出，压力电容传感器的电容随外加压力呈非线性增长，其中压力-电容曲线的梯度是传感器灵敏度的量度，电容传感器的灵敏度可达0.00145pf/kpa。电容传感器的电容变化公式为在实施例中，认为面积s和相对介电常数εr不发生改变，在电容传感器受到压力作用时，电容极板的距离d发生变化，电容c与电容极板的距离d的函数关系是反函数关系，与仿真出来的压力-电容曲线变化趋势相同。图5是电容传感器仿真模型受到5kpa压力时的位移变化图，其最大位移达0.16mm。
39.实施例2
40.制备一种基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器，具体方法包括如下步骤：
41.(1)制备多孔链状中空结构明胶层：a、首先按照1:10的质量比将明胶溶于去离子
水中，在90℃下搅拌20min后继续在70℃下超声振荡1h使其分散均匀得到明胶溶液；b、向明胶溶液中加入铁粉(其中明胶与铁粉的质量比为1:0.5，铁粉的粒径为1～100um，铁粉为羰基铁粉)，充分搅拌混合均匀后进行70℃下的超声振荡1h使铁粉分散均匀，脱气处理后得到明胶@铁粉混合溶液；c、将明胶@铁粉混合溶液倒入模具(该磨具的长*宽*高＝2cm*2cm*0.1cm)后在强度为300mt的磁场下导磁30min，冷却12h后得到明胶@铁粉混合胶体；d、将导磁固化后的明胶@铁粉混合胶体置于强酸(浓度为5％～20％的盐酸溶液)中浸泡，去除铁粉后用镊子取出，用去离子水反复浸泡清洗后在60℃下的干燥箱中干燥即可得到多孔链状中空结构明胶层。
42.(2)采用pdms粘结剂将铝箔电极分别粘结在多孔链状中空结构明胶层的上表面和下表面；
43.(3)采用pdms封装的方法用pdms进行封装即可形成基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器。
44.实施例3
45.制备一种基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器，具体方法包括如下步骤：
46.(1)制备多孔链状中空结构明胶层：a、首先按照1:8的质量比将明胶溶于去离子水中，在90℃下搅拌20min后继续在80℃下超声振荡1h使其分散均匀得到明胶溶液；b、向明胶溶液中加入铁粉(其中明胶与铁粉的质量比为1:4，铁粉的粒径为1～100um，铁粉为羰基铁粉)，充分搅拌混合均匀后进行80℃下的超声振荡1h使铁粉分散均匀，脱气处理后得到明胶@铁粉混合溶液；c、将明胶@铁粉混合溶液倒入模具(该磨具的长*宽*高＝2cm*2cm*0.1cm)后在强度为1200mt的磁场下导磁30min，冷却12h后得到明胶@铁粉混合胶体；d、将导磁固化后的明胶@铁粉混合胶体置于强酸(浓度为5％～20％的盐酸溶液)中浸泡，去除铁粉后用镊子取出，用去离子水反复浸泡清洗后在60℃下的干燥箱中干燥即可得到多孔链状中空结构明胶层。
47.(2)采用pdms粘结剂将铜箔电极分别粘结在多孔链状中空结构明胶层的上表面和下表面；
48.(3)采用pdms封装的方法用pdms进行封装即可形成基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器。
49.同样的，用comsol软件对实施例2和实施例3中制备的基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器进行仿真测试其性能，其结果与实施例1中制备的压力传感器结果相似，说明本发明者制备的压力传感器具有结构简单、可控性强、制作方便、响应灵敏等优点，适用于可穿戴电子、电子皮肤、人机交互等新兴领域。
50.综上所述，本发明公开了一种基于多孔链状中空结构明胶的压力电容传感器，该压力电容传感器依次包括封装层、电极层、多孔链状中空结构明胶层、电极层和封装层，以多孔链状中空结构明胶层为核心，具有平行多列的多孔链状中空结构可以提升电容传感器的灵敏度和扩大电容传感器是受力范围；同时由于该压力电容传感器中多孔链状中空结构的粒径大小、数量可根据实际应用需求设计因此可以调整传感器的性能。当有压力作用于该压力电容传感器时，其多孔链状中空结构会被压紧，介电层的多孔链状中空结构的厚度会发生改变，即压力电容传感器的两平行极板间的距离会发生改变，从而改变电容传感器
的电容。另外，本发明的压力电容传感器原料价格低廉，具有成本低，灵敏度高，测量范围可调、无毒无污染等特点，且制备工艺简单，易于产业化，适合批量生产；同时由于压力电容传感器结构简单、可控性强、制作方便、响应灵敏，适用于可穿戴电子、电子皮肤、人机交互等新兴领域。
51.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。