一种耐多种环境自修复自供电传感器及其制备方法

本发明涉及传感器，特别是涉及一种耐多种环境自修复自供电传感器及其制备方法。

背景技术：

1、得益于传感技术的蓬勃发展，传感器朝着小型化、功能化、高性能的方向前进，可穿戴式传感器也逐渐得到普及。物联网时代已经来临，万物互联的实现需要数量庞大的传感器作为基础，目前绝大多数传感器需要通过电池供电，对能源的需求无疑是一个巨大的挑战，大量的电池对环境也会造成危害。在这种情况下，发展绿色能源就显得十分必要。

2、2012年，王中林院士课题组首次发明了摩擦纳米发电机（triboelectricnanogenerator, teng），利用摩擦起电效应将环境中低频的机械能转化为电能。当两种不同材料相接触时，它们的表面由于接触起电分别带上正负电荷，表面分离时所带的正负电荷也发生分离，形成感应电动势。teng能获得较高电压的输出，且能高效利用低频不规则的机械能，有自驱动、体积小巧、材料多样、成本低廉、环境友好等优点。基于teng制成的自供能传感器可应用于环境监测、生物医学、人机交互、运动传感等领域。

3、基于teng的自供电传感器能收集人体产生的机械能并转化为电能进行供电，还能通过电信号对人体运动进行监测。但是由于摩擦和其他因素会对材料造成磨损，自供电传感器的工作寿命受到很大的限制。引入自修复材料制备自供电传感器，在长时间工作下即使发生损伤，将自修复材料的断面重新贴合，在一定条件下即可修复，延长器件在常规条件的工作寿命。

4、然而，大多数基于自修复材料的传感器在面对极端条件如强酸、强碱、强氧化剂、盐、高低温，无法实现修复甚至会损伤。例如，部分弹性体材料的断裂界面会受到水分的影响而无法在溶液中实现修复，水凝胶在低温条件下被冻结，高温条件下水分蒸发，材料失效；基于亚胺键的自修复聚合物在强酸性条件下会发生降解；含儿茶酚的聚合物在空气碱性条件下会发生氧化，影响修复性能。同时，人体皮肤是一个复杂的环境，对自供电传感器的输出也会产生干扰。因此，亟需研究能够耐受多种极端环境且在极端条件下也能自修复的自供能传感器。

技术实现思路

1、为了克服上述技术的问题，本发明的目的在于提供一种耐多种环境自修复自供电传感器及其制备方法，采用可耐受多种环境的自修复聚合物制备自供电传感器，使用银纳米线作为传感器的电极层，无需外接电源，在外力作用下该传感器将机械信号转化为电信号，并通过信号采集系统对电信号进行定量采集，实现了压力传感。

2、该传感器即使在各种极端的条件（强酸、强碱、强氧化剂、盐、高温、低温）下依然能顺利修复，极大的提高了器件的稳定性和可靠性。受益于传感器耐环境自修复的特性，以及良好的生物相容性，所制备的自供电传感阵列适用于人体表皮实现自供电可穿戴式压力传感的功能，相比于传统的传感器有更稳定的表现和更广阔的应用前景。

3、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

4、本发明提供一种耐多种环境自修复自供电传感器，包括基底、电极层以及摩擦层，所述电极层位于基底的一侧，摩擦层位于电极层背离基底的一侧，所述摩擦层用于在外力作用下摩擦将机械信号转化为电信号，定量采集电信号实现压力传感；电极层用于传导电信号以产生电能，使用银纳米线作为传感器的电极层；所述基底和摩擦层均为在极端条件具有自修复性能材料，用于在传感器发生断裂的情况下，将基底和摩擦层的断面对齐修复后，使电极层的断面接触导电进行自修复，制成耐环境自修复可穿戴式自供电传感器。

5、作为本发明的进一步方案，所述基底为自修复聚二甲基硅氧烷聚合物，所述电极层为在基底上制备的一层银纳米线，所述摩擦层为在电极层上覆盖一层自修复聚二甲基硅氧烷聚合物。

6、作为本发明的进一步方案，所述电极层与金属导线相连，组成一个传感器单元，传感器单元的金属导线与led灯的正极相连，负极接地，在外力作用下接触分离时点亮led灯。

7、作为本发明的进一步方案，所述耐多种环境自修复自供电传感器包括压力传感器和信号采集器，所述压力传感器包括基底、电极层和摩擦层，电极层位于基底的一侧，电极层具有多个电极，多个电极在基底的一侧呈阵列排布，摩擦层位于电极层背离基底的一侧。

8、作为本发明的进一步方案，所述摩擦层具有多个触摸区域，多个触摸区域与多个电极一一对应，多个电极分别与信号采集器连接。

9、作为本发明的进一步方案，所述触摸区域用于在压力作用下产生电信号，与触摸区域对应的电极将电信号传导至信号采集器，用于压力信号的采集。

10、本发明还提供一种耐多种环境自修复自供电传感器的制备方法，包括以下步骤：

11、采用自修复聚二甲基硅氧烷聚合物作为传感器的基底；

12、通过掩膜版在基底上制成银纳米线阵列作为电极层，分别用铜导线与每个电极层单元相连，用以测试；

13、在电极层上覆盖一层自修复聚二甲基硅氧烷聚合物作为摩擦层，组成耐环境自修复可穿戴式自供电传感器。

14、本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：

15、（1）本发明采用可耐受多种环境的自修复聚合物制备自供电传感器，使用银纳米线作为传感器的电极层，无需外接电源，在外力作用下该传感器将机械信号转化为电信号，并通过信号采集系统对电信号进行定量采集，实现了压力传感。该传感器即使在各种极端的条件（强酸、强碱、强氧化剂、盐、高温、低温）下依然能顺利修复，极大的提高了器件的稳定性和可靠性。受益于传感器耐环境自修复的特性，以及良好的生物相容性，所制备的自供电传感阵列适用于人体表皮实现自供电可穿戴式压力传感的功能，相比于传统的传感器有更稳定的表现和更广阔的应用前景。

16、（2）本发明提供的耐多种环境自修复自供电传感器，相对于目前需要电池的可穿戴式传感器，其无需外部电源进行供电，能够将手指按压的力转化为电信号。

17、（3）本发明中耐环境自修复可穿戴式传感器全部采用具有自修复性能的材料制备，传感器在长期使用下发生损坏时可以自我修复，并且在酸、碱、盐、氧化剂等极端条件下依然能够完成修复过程，极大的提高了器件的工作寿命。修复后的传感器输出性能没有产生明显的损耗，具有良好的稳定性。

18、（4）本发明中耐环境自修复可穿戴式传感器能高效利用低频的机械能，适合应用于人体表皮上，有工艺简单、加工成本低、环境友好等优点，在物联网时代有助于构建传感网络，增加传感器的使用寿命，降低维护的成本。

技术特征：

1.一种耐多种环境自修复自供电传感器，其特征在于，包括基底（1）、电极层（2）以及摩擦层（3）;

2.根据权利要求1所述的耐多种环境自修复自供电传感器，其特征在于，所述基底（1）为自修复聚二甲基硅氧烷聚合物，所述电极层（2）为在基底（1）上制备的一层银纳米线，所述摩擦层（3）为在电极层（2）上覆盖一层自修复聚二甲基硅氧烷聚合物。

3.根据权利要求2所述的耐多种环境自修复自供电传感器，其特征在于，所述电极层（2）与金属导线相连，组成一个传感器单元，传感器单元的金属导线与led灯的正极相连，负极接地，在外力作用下接触分离时点亮led灯。

4.一种耐多种环境自修复自供电传感器，其特征在于，所述耐多种环境自修复自供电传感器包括压力传感器和信号采集器，所述压力传感器包括基底（1）、电极层（2）和摩擦层（3），电极层（2）位于基底（1）的一侧，电极层（2）具有多个电极，多个电极在基底（1）的一侧呈阵列排布，摩擦层（3）位于电极层（2）背离基底（1）的一侧。

5.根据权利要求4所述的耐多种环境自修复自供电传感器，其特征在于，所述摩擦层（3）具有多个触摸区域，多个触摸区域与多个电极一一对应，多个电极分别与信号采集器连接。

6.根据权利要求5所述的耐多种环境自修复自供电传感器，其特征在于，所述触摸区域用于在压力作用下产生电信号，与触摸区域对应的电极将电信号传导至信号采集器，用于压力信号的采集。

7.一种耐多种环境自修复自供电传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种耐多种环境自修复自供电传感器及其制备方法，传感器包括基底、电极层以及摩擦层，基底和摩擦层均为自修复性能材料，传感器断裂时将基底和摩擦层的断面对齐修复后，使电极层的断面接触导电进行自修复。本发明采用可耐受多种环境的自修复聚合物制备自供电传感器，使用银纳米线作为传感器的电极层，无需外接电源，该传感器即使在各种极端的条件（强酸、强碱、强氧化剂、盐、高温、低温）下依然能顺利修复，极大的提高了器件的稳定性和可靠性。受益于传感器耐环境自修复的特性，以及良好的生物相容性，所制备的自供电传感阵列适用于人体表皮实现自供电可穿戴式压力传感的功能，相比于传统的传感器有更稳定的表现和更广阔的应用前景。

技术研发人员：黄龙彪,梁启华,戴杏怡,吴颖辉
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13