一种磁致应变-压电复合薄膜传感器及其制备方法

本发明涉及传感器，具体涉及一种磁致应变-压电复合薄膜传感器及其制备方法。

背景技术：

1、科技的进步和柔性传感器的发展促使电子皮肤能够模拟人体皮肤的多维信息和感知功能，在人机交互、智能假肢、智能机器人和数字医疗保健等领域具有巨大的潜力，预计将会彻底改变我们与机器、电子产品和周围环境的交互方式。为了最大化这些潜能，电子皮肤需要具备共形贴附性、多功能性、直观的信号反馈以及准确区分交互模式的能力，即使贴附在不规则曲面上也能确保机器人在各种复杂环境下的精准感知。在诸多感知信息中，触觉感知和接近感知尤为重要。前者能够实现接触互动，后者则能够在非接触条件下进行交互，对于机器人的精确、安全、灵巧控制来说极为关键。因此，开发一种高性能的接近和压力双模态柔性传感器具有重要的研究意义。

2、目前研究人员已经提出了许多令人兴奋的柔性触觉和非接触传感器，包括湿度、磁性、温度、光学和电容传感器。在设计能够同时感知接近和压力的传感器中，最常见的是基于静电耦合原理的电容式接近/压力双模传感器。这种传感器在非接触模式和接触模式具有双向电容响应，可以在一个传感器中实现接近和压力的信号解耦。然而，这种传感器也易受工作环境中无关带电物体的干扰，实际应用中容易产生误判或精度降低等问题。

3、由于磁性非接触感知具有高度特异性，仅对特定的磁性传感物体响应，且不受环境因素干扰，因此部分研究人员结合磁铁非接触感知和压阻材料特点，提出了磁阻效应的柔性接近和压力双模传感器。这种传感器不仅能够对带有磁性的目标物体做出选择性响应，还能区分接近和接触信号；然而，目前报道的柔性磁压阻式接近/接触双模传感器对接近、接触信号的区分布不能实时进行，需要依赖后续的计算处理；此外，这些传感器通常具有较厚的器件结构，尤其在阵列化之后其共形贴附的能力大幅降低，不利于自然柔顺的贴附到高曲率结构表面，在实际应用中存在一定的限制；而且，磁压阻式传感器的运行需要外部电源供应，持续测试情况下存在发热及较大能源消耗问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种磁致应变-压电复合薄膜传感器及其制备方法，该磁致应变-压电复合薄膜传感器利用磁致应变和压电效应感知外界目标磁性物体的接近、压力信息，并结合应力发光效应感知接触和压力的信息，实现双模感知和识别。

2、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种磁致应变-压电复合薄膜传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、(a)将聚偏二氟乙烯溶于n,n-二甲基甲酰胺和丙酮混合液中，得到聚偏二氟乙烯溶液；

5、(b)向聚偏二氟乙烯溶液中添加四氧化三铁纳米颗粒并进行震荡和超声处理，然后经静电纺丝，所制得的薄膜经过烘干，得到磁压电薄膜；

6、(c)向聚偏二氟乙烯溶液中添加zns-caznos粉末并进行搅拌，得到混合液，将混合液旋涂在玻璃板上、干燥，在玻璃板上形成应力发光薄膜；

7、(d)将磁压电薄膜和应力发光薄膜进行组合，即得所述磁致应变-压电复合薄膜传感器。

8、本发明磁致应变-压电复合薄膜传感器的工作原理如下：

9、该磁致应变-压电复合薄膜传感器由于其柔软、轻薄的特性，能够在工业机器人工作时，贴附在机械臂的关节或机械手的手指等曲率较大的表面上。当一个带有磁性的目标物体接近磁致应变-压电复合薄膜传感器时，传感器内的磁压电薄膜由于磁力的作用会受到机械应力，这种机械应力改变了压电材料内部的电荷分布，导致电荷在材料表面积累，进而在材料的两端产生电压信号，该电压信号的极性和大小与目标物体的接近程度和方向有关，从而为接近检测提供了一种量化手段，在目标物体远离传感器的情况下，由于机械应力的减小，薄膜内部的电偶极子重新排列，会产生相反极性的电压信号，从而允许传感器检测物体的远离动作；

10、当物体与传感器接触时，该层薄膜受到压力，会得到磁压电薄膜的电压信号之外，应力发光薄膜在接触点发出光信号，为压力检测提供了直观的指示。

11、优选地，所述步骤(a)中，n,n-二甲基甲酰胺和丙酮混合液中n,n-二甲基甲酰胺与丙酮的体积比为4∶(5～7)。

12、优选地，所述步骤(a)中，聚偏二氟乙烯溶液中聚偏二氟乙烯的质量体积浓度为12％～18％。

13、优选地，所述步骤(b)中，四氧化三铁纳米颗粒与聚偏二氟乙烯的质量比为(1.0～1.5)∶1。

14、优选地，所述步骤(b)中，静电纺丝的电压为18～22kv，收集滚筒转速为900～1100rpm。

15、优选地，所述步骤(b)中，烘干温度为50～70℃，烘干时间为20～26h。

16、优选地，所述步骤(c)中，zns-caznos粉末与聚偏二氟乙烯的质量比为(1.8～2.2)∶1。

17、优选地，所述步骤(c)中，搅拌时间为10～15h。

18、优选地，所述步骤(c)中，干燥方式为自然风干。

19、本发明第二方面提供了一种上述制备方法制得的磁致应变-压电复合薄膜传感器。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

21、本申请磁致应变-压电复合薄膜传感器与常用的电容型柔性接近/压力双模传感器对比，本发明引入的磁感应效应使传感器对磁性目标物体的接近具有特异性，解决了接近/压力双模传感器在复杂的工作环境下识别不准确、性能不稳定的问题。同时，该磁致应变-压电复合薄膜传感器具有迅速响应动态信息的优势，对于实际应用中目标物体的快速接近或接触具有实时的响应能力，并可结合可视化发光信号，该传感器能够实时地判断和指示接近与接触模式的切换；另外，本发明磁致应变-压电复合薄膜传感器具有无源的特点，压电材料、应力发光材料无需外部供能，一方面减少了能耗，一方面降低了器件使用时的复杂程度；而且本发明通过静电纺丝制备的磁致应变-压电复合薄膜传感器具有高度轻薄、柔顺的优点，可以紧密的贴附在各种高曲率的结构表面，这一特性显著扩展了传感器的潜在应用范围，使其能够适应更为广泛和复杂的实际使用场景。

技术特征：

1.一种磁致应变-压电复合薄膜传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中，n,n-二甲基甲酰胺和丙酮混合液中n,n-二甲基甲酰胺与丙酮的体积比为4∶(5～7)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中，聚偏二氟乙烯溶液中聚偏二氟乙烯的质量体积浓度为12％～18％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中，四氧化三铁纳米颗粒与聚偏二氟乙烯的质量比为(1.0～1.5)∶1。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中，静电纺丝的电压为18～22kv，收集滚筒转速为900～1100rpm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中，烘干温度为50～70℃，烘干时间为20～26h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(c)中，zns-caznos粉末与聚偏二氟乙烯的质量比为(1.8～2.2)∶1。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(c)中，搅拌时间为10～15h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(c)中，干燥方式为自然风干。

10.权利要求1～9中任一所述的制备方法制得的磁致应变-压电复合薄膜传感器。

技术总结
本发明公开了一种磁致应变‑压电复合薄膜传感器及其制备方法，该制备方法包括将聚偏二氟乙烯溶于N,N‑二甲基甲酰胺和丙酮混合液中，得到聚偏二氟乙烯溶液；向聚偏二氟乙烯溶液中添加四氧化三铁纳米颗粒并进行震荡和超声处理，然后经静电纺丝，再经烘干，得到磁压电薄膜；向聚偏二氟乙烯溶液中添加ZnS‑CaZnOS粉末并进行搅拌，得到混合液，将混合液旋涂在玻璃板上、干燥，在玻璃板上形成应力发光薄膜；将磁压电薄膜和应力发光薄膜进行组合即可；本申请磁致应变‑压电复合薄膜传感器对磁性目标物体的接近具有特异性，并有迅速响应动态信息的优势，结合可视化发光信号，对于实际应用中目标物体的快速接近或接触具有实时的响应能力。

技术研发人员：李珩,彭争春,张维冠,任奕
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10