纸基压力传感器、制备方法及纳米纤维素纸和压敏传感件与流程

[0001]
本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种纸基压力传感器、制备方法及纳米纤维素纸和压敏传感件。


背景技术：

[0002]
传感器技术作为现代信息技术的重要基础之一，是获取信息的前端，被世界各国高度关注。现如今，传感器高速发展，促进了物理世界和信息世界的联系，延伸了人体感官，应用范围不断拓宽，渗透入生活的方方面面。压力传感器是各类传感器中最成熟的一类传感器，能够感知外界压力，在压力下产生电信号，并以信号传导的方式进行工作。压力传感器可以附着在皮肤、包装或者可穿戴设备上，在连续工作条件下监测生理信号或外界压力，而不会中断或限制正常活动。它们对柔性电子皮肤、生理监测、医疗运输和产品运输过程中压力变化数据信号的采集等大量应用具有重要意义。新型压力传感器相对于传统传感器，具有柔性化、生物兼容、灵敏度高等特点，有望大规模应用于可穿戴电子、人体体征监测、机器人外力感知、远程微创外科手术、医疗、智能包装等领域。
[0003]
目前，压力传感器根据工作机理的不同可分为四类：电容式、压阻式、压电式和晶体管式。其中压阻式压力传感器具有工艺简单、功耗低、在低压范围内灵敏度高的优点。主流电子元器件和产品的制造技术，主要以硅基半导体蚀刻工艺或真空蒸镀、溅射工艺为主，具有集成度高、体积小、信息容量大、分辨率高等显著优点。但存在工艺过程复杂、原材料损耗严重、设备投资过大、产品价格高、能耗大，以及环境污染等问题；同时，大多数压力传感器通常使用不可降解的人造聚合物来封装器件和制备传感材料和底部基板。由于废弃器件的不合理丢弃造成了电子废弃物的紧迫问题，迫切需要能够方便地处理掉的绿色压力传感器。


技术实现要素：

[0004]
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种可在0.03～30.2kpa的压力范围内具有高灵敏度，轻薄柔软，可在弯曲状态下能保持优异的性能，且工艺简单，成本低，绿色环保，有利于大批量生产并推广使用的纸基压力传感器，以及该纸基压力传感器的制备方法，和一种纳米纤维素纸、一种压敏传感件。
[0005]
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0006]
一种纸基压力传感器，包括有柔性外包层，所述柔性外包层是纳米纤维素纸，其内具有纳米银叉指电极和压敏传感件，所述纳米银叉指电极印刷在柔性外包层的内表面上，所述压敏传感件位于纳米银叉指电极的上方，并与纳米银叉指电极的表面连接。
[0007]
进一步地，所述纳米纤维素纸由naoh、尿素、h2o和纤维浆制成，且所述naoh、尿素、h2o的质量比为7:12:81。
[0008]
进一步地，所述压敏传感件是石墨烯/纳米银线气凝胶，具有多孔结构和粗糙表面，由石墨烯/纳米银线复合材料、纳米纤维素悬浮液、聚乙烯醇和聚乙二醇、去离子水制
成。
[0009]
进一步地，所述纳米银叉指电极是采用纳米银导电油墨印刷而成，每个纳米银叉指电极具有5～10个指状电极，每个所述指状电极宽度为0.3～1.0mm，相邻两个指状电极的间距为1.0～3.0mm，而且所述纳米银叉指电极的末端固定有导电铜箔带。
[0010]
进一步地，所述柔性外包层的外表面具有封装层。
[0011]
一种上述的纸基压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0012]
a1.制备纳米纤维素纸，首先将naoh、尿素、h2o混合溶液预先冷冻至-18℃～-5℃，然后将棉短绒纤维浆放入上述冷冻溶液中，在室温下搅拌制得粘性溶液，接着将粘性溶液进行离心处理，获得含有纳米纤维素的透明上层溶液，再然后将透明上层溶液涂在玻璃板上，形成一层纤维素湿膜，再接着将涂有纤维素湿膜的玻璃板立即浸入5wt％h2so4溶液中凝固后，取出放入去离子水中浸泡，最后在室温下干燥，得到透明的纳米纤维素纸；
[0013]
a2.印刷纳米银叉指电极，首先在纳米纤维素纸的内表面采用纳米银导电油墨印刷叉指电极，然后将印刷后的纳米纤维素纸放入干燥箱中进行干燥，形成连续的电极图案，最后将导电铜箔带固定在叉指电极的末端；
[0014]
a3.制备压敏传感件，首先将纳米纤维素悬浮液、聚乙烯醇和聚乙二醇加入去离子水中溶解，制混合溶液；然后将石墨烯/纳米银线复合材料加入混合溶液中，充分搅匀后静置、除去混合液中的气泡；接着将混合溶液倒入模板中冻融循环若干次，形成水凝胶，再将冻融后的水凝胶浸入去离子水中；最后将浸泡好的水凝胶置于冷冻、真空干燥，制得石墨烯/纳米银线气凝胶；
[0015]
a4.器件封装，首先将石墨烯/纳米银线气凝胶放在纳米银叉指电极的中心上方，然后在纳米纤维素纸空白部分涂布改性疏水pva胶黏剂，并在合适压力作用下使用步骤a1中纳米纤维素纸包封，制得纸基压力传感器。
[0016]
进一步地，在执行步骤a4后采用ncp胶粘剂对包封的纳米纤维素纸的表面进行封装。
[0017]
进一步地，步骤a1中所述离心转速为8000～12000rpm，离心时间为5～20分钟，所述纤维素湿膜的厚度为0.3～0.6mm，在5wt％h2so4溶液浸入时间为15～30分钟；步骤a3中将冻融后的水凝胶浸入去离子水中的浸入时间为3～6h，所述“将浸泡好的水凝胶置于冷冻、真空干燥”具体为：将浸泡好的水凝胶置于冷冻干燥箱中冷冻24h，待完全冷冻后从冷阱中取出放入真空干燥室中真空干燥。
[0018]
本发明还提供了一种纳米纤维素纸，由naoh、尿素、h2o和纤维浆制成，且所述naoh、尿素、h2o的质量比为7:12:81。
[0019]
本发明又提供了一种压敏传感件，是石墨烯/纳米银线气凝胶，具有多孔结构和粗糙表面，由石墨烯/纳米银线复合材料、纳米纤维素悬浮液、聚乙烯醇和聚乙二醇、去离子水制成。
[0020]
本发明主要具有以下有益效果：
[0021]
本发明通过采用上述技术方案，即可在0.03～30.2kpa的压力范围内具有高灵敏度，可达到1.5kpa-1
，且轻薄柔软，可以随意弯曲，在弯曲状态下能保持优异的性能，并且采用印刷和浸泡方式制备纳米银叉指电极和压敏传感件，工艺简单，成本低，同时采用天然可回收降解的纸和环保封装材料，不会引起二次污染，可大批量生产和推广使用。
附图说明
[0022]
图1是本发明所述的一种纸基压力传感器实施例的分解结构示意图；
[0023]
图2是本发明所述的一种纸基压力传感器实施例中压敏传感件的结构示意图；
[0024]
图3是本发明所述的一种纸基压力传感器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
[0025]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]
如图1和2中所示，本发明所述的一种纸基压力传感器，包括有柔性外包层，所述柔性外包层是纳米纤维素纸，其内具有纳米银叉指电极3和压敏传感件4，所述纳米银叉指电极3印刷在柔性外包层的内表面上，所述压敏传感件3位于纳米银叉指电极2的上方，并与纳米银叉指电极2的表面连接；具体结构可以为：所述柔性外包层由相互连接固定的第一纳米纤维素纸1和第二纳米纤维素纸2构成，所述第一纳米纤维素纸1的内表面(即图中的上表面)印刷有纳米银叉指电极3，同时所述第一纳米纤维素纸1和第二纳米纤维素纸2之间具有压敏传感件4，所述压敏传感件4位于纳米银叉指电极3的上方，并与纳米银叉指电极3的表面连接。其中，所述纳米纤维素纸(第一纳米纤维素纸1和第二纳米纤维素纸2)由naoh、尿素、h2o和纤维浆制成，且所述naoh、尿素、h2o的质量比为7:12:81。所述压敏传感件4是石墨烯/纳米银线气凝胶，具有多孔结构和粗糙表面，由石墨烯/纳米银线复合材料、纳米纤维素悬浮液、聚乙烯醇和聚乙二醇、去离子水制成。所述纳米银叉指电极3是采用纳米银导电油墨印刷而成，每个纳米银叉指电极2具有5～10个指状电极，每个所述指状电极宽度为0.3～1.0mm，相邻两个指状电极的间距为1.0～3.0mm，而且所述纳米银叉指电极2的末端固定有导电铜箔带。
[0027]
另外，所述柔性外包层的外表面还具有封装层。
[0028]
如图3所示，本发明上述的纸基压力传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
[0029]
步骤100.制备纳米纤维素纸，首先将naoh、尿素、h2o混合溶液预先冷冻至-18℃～-5℃，然后将棉短绒纤维浆放入上述冷冻溶液中，在室温下搅拌制得粘性溶液，接着将粘性溶液进行离心处理，获得含有纳米纤维素的透明上层溶液，再然后将透明上层溶液涂在玻璃板上，形成一层纤维素湿膜，再接着将涂有纤维素湿膜的玻璃板立即浸入5wt％h2so4溶液中凝固后，取出放入去离子水中浸泡，最后在室温下干燥，得到透明的纳米纤维素纸；其中，所述离心转速为8000～12000rpm，离心时间为5～20分钟，所述纤维素湿膜的厚度为0.3～0.6mm，在5wt％h2so4溶液浸入时间为15～30分钟。
[0030]
步骤200.印刷纳米银叉指电极，首先在纳米纤维素纸的内表面(第一纳米纤维素纸1的内表面)采用纳米银导电油墨印刷叉指电极，然后将印刷后的纳米纤维素纸放入干燥箱中进行干燥，形成连续的电极图案，最后将导电铜箔带固定在叉指电极的末端；其中，干燥温度为100℃～150℃，干燥时间为10～30分钟。
[0031]
步骤300.制备压敏传感件，首先将纳米纤维素悬浮液、聚乙烯醇和聚乙二醇加入去离子水中溶解，制混合溶液；然后将石墨烯/纳米银线复合材料加入混合溶液中，充分搅匀后静置、除去混合液中的气泡；接着将混合溶液倒入模板中冻融循环若干次，形成水凝
胶，再将冻融后的水凝胶浸入去离子水中；最后将浸泡好的水凝胶置于冷冻、真空干燥，制得石墨烯/纳米银线气凝胶；其中，将冻融后的水凝胶浸入去离子水中的浸入时间优选为3～6h，所述“将浸泡好的水凝胶置于冷冻、真空干燥”具体为：将浸泡好的水凝胶置于冷冻干燥箱中冷冻24h，待完全冷冻后从冷阱中取出放入真空干燥室中真空干燥，真空干燥时间优选为4天。
[0032]
步骤400.器件封装，首先将石墨烯/纳米银线气凝胶放在纳米银叉指电极的中心上方，然后在纳米纤维素纸空白部分涂布改性疏水pva胶黏剂，并在合适压力作用下使用步骤a1中纳米纤维素纸包封，制得纸基压力传感器；具体为：先将压敏传感件4(石墨烯/纳米银线气凝胶)放在纳米银叉指电极3的中心上方，并在第一纳米纤维素纸1的空白部分涂布胶黏剂(改性疏水pva胶黏剂)，第二纳米纤维素纸2铺盖在第一纳米纤维素纸1的内表面、施加合适压力，使第一纳米纤维素纸1和第二纳米纤维素纸2相互粘贴固定，将纳米银叉指电极3和压敏传感件4包封住，制得纸基压力传感器。
[0033]
其次，在执行步骤400后可以采用ncp胶粘剂对包封的纳米纤维素纸的表面进行封装。
[0034]
实施例
[0035]
该实施例采用以下步骤制备本发明所述的纸基压力传感器。
[0036]
1.纳米纤维素纸的制备：先将质量比为7:12:81的naoh、尿素、h2o混合溶液预先冷冻至-10℃，然后将4g棉短绒纤维浆放入上述冷冻溶液中，在室温下机械搅拌制得粘性溶液，并将粘性溶液在10000rpm下离心10min，获得含有纳米纤维素的透明上层溶液，接着将透明上层溶液涂在玻璃板上，形成一层约0.5mm厚的纤维素湿膜，再将涂有纳米纤维素层的玻璃板立即浸入5wt％h2so4溶液中凝固15min，最后取出放入去离子水中浸泡，并在室温下干燥，得到透明纳米纤维素纸。
[0037]
2.纳米银叉指电极的印刷：在纳米纤维素纸上采用丝网印刷纳米银导电油墨，制得叉指电极，每个叉指电极上带有10个指状电极，而且每个指状电极宽度为0.5mm，相邻指状电极间距为2.0mm，然后将印刷后的纳米纤维素纸(电极层)立即放入干燥箱中，在110℃下干燥20分钟，形成连续的电极图案，最后将导电铜箔带固定在叉指电极的末端。
[0038]
3.压敏传感件的制备：先将适量的纳米纤维素悬浮液、聚乙烯醇和聚乙二醇按照质量比1:10:1加入去离子水中溶解，制备成混合溶液，然后将石墨烯/纳米银线复合材料加入混合溶液中，充分搅匀后静置一段时间除去混合液中的气泡，接着将最终的混合溶液倒入模板中，冷冻干燥后，得到表面粗糙并具有多孔的压敏传感气凝胶(石墨烯/纳米银线气凝胶)。
[0039]
4.器件的封装：将步骤3中制备的压敏传感气凝胶放在叉指电极中心上方，在纳米纤维素纸空白部分涂布改性疏水pva胶黏剂，并在合适压力作用下用步骤1中制备的纸基材包封，形成最终的压力传感器(纸基压力传感器)。
[0040]
本发明所述纸基压力传感器在0.03～30.2kpa的压力范围内具有高灵敏度，可达到1.5kpa-1
，且轻薄柔软，可以随意弯曲，在弯曲状态下能保持优异的性能，并且采用印刷和浸泡方式制备纳米银叉指电极和压敏传感件，工艺简单，成本低，同时采用天然可回收降解的纸和环保封装材料，不会引起二次污染，可大批量生产和推广使用。
[0041]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。