[发明专利]一种挠曲电柔性纳米曲率传感器及其制备和测试方法

说明书

本发明公开了一种挠曲电柔性纳米曲率传感器及其制备和测试方法，该柔性曲率传感器利用固相烧结法制备纳米颗粒，经过表面改性处理后均匀分散在柔性基体内形成复合柔性纳米高弹体。通过颗粒表面改性、调节质量参杂配比等工艺参数，可获得颗粒分布均匀、10％‑50％不同质量比颗粒掺杂的挠曲电柔性纳米曲率传感器，该柔性曲率传感器克服了传统传感器在曲率监测方面的不足，使得整体变形能力与输出响应得以同步提升。本发明柔性曲率传感器响应速率快、幅值高、弯曲能力强、工艺简单且成本低廉，其可推动该曲率传感器在人体运动监测、电子皮肤、智能机器人以及微纳机电系统等领域的应用。

技术领域

本发明涉及传感监测技术领域，特别涉及基于挠曲电柔性纳米曲率传感器及其制备和测试方法。

背景技术

自然界生物自身带有许多类似传感、驱动的能力，通过自身运动来控制、感知外界的变化。近年来，基于这种传感、驱动生物特性的材料，在人体健康监测、电子皮肤、智能机器人以及微纳机电系统等领域有着广泛的应用。大部分的传感器应用于运动监测只局限于拉伸和压缩的监测，对于弯曲曲率监测而言，常见的传感器，最大的局限在于应用传统的无机材料，本身的脆性大、柔韧性差无法进行弯曲变形，或者采用柔性好、可延展的有机材料但通常输出响应低、传感驱动性能差等。相较而言，有机+无机复合材料兼具两种材料的优点，进行结合制备出性能优异的柔性材料，兼具良好的弯曲变形和输出响应，在面对曲率监测的一大难题上，实现响应速率与变形幅值的同步提升。

对于挠曲电柔性纳米曲率传感器，其传感原理在于当传感器受力产生弯曲时，柔性高弹体因变形产生应变梯度，从而导致基体中具有钙钛矿晶胞结构的纳米颗粒自发极化，使柔性高弹体上下表面分别产生正负电荷，从而实现弯曲变形过程中挠曲电信号的输出。因此，该曲率传感器的响应速率与变形能力分别取决于颗粒掺杂质量比的多少、颗粒分布均匀程度以及传感器的弯曲变形程度。近年的研究结果表明，挠曲电效应在微纳尺度上会表现出更出色的力-电耦合特性。因此，采用纳米颗粒掺杂柔性基体可以提高整个柔性曲率传感器的输出性能，表现出更高的灵敏度。表面改性的纳米颗粒在柔性基体中分散均匀，为变形后纳米颗粒自发极化产生的电场提供更多的连接通道。因此，颗粒在基体中分布均匀提升了传感器的输出性能和敏感度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种挠曲电柔性纳米曲率传感器及其制备和测试方法，以解决背景技术中所述的响应信号输出与变形能力不可同时提升的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种挠曲电柔性纳米曲率传感器，所述传感器由柔性高弹体4贴附在柔性高弹体4上下表面的柔性电极3以及与柔性电极3连接的导线组成，所述柔性高弹体4由表面改性纳米颗粒1均匀掺杂在柔性基体2中形成，所述表面改性纳米颗粒1由固相烧结法制备的纳米颗粒经表面改性后形成；当传感器受力产生弯曲时，柔性高弹体4因变形产生应变梯度，从而导致柔性基体中表面改性纳米颗粒自发极化，使柔性高弹体4上下表面分别产生正负电荷，从而实现弯曲变形过程中挠曲电信号的输出，输出灵敏度高。

所述柔性高弹体4的厚度为180μm-240μm，柔性电极材料3的厚度为0.1μm-0.2μm。

所述表面改性纳米颗粒1为具有钙钛矿晶胞结构的材料。

所述柔性基体2是聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯或环氧树脂。

所述柔性电极3是铝箔、银箔或金箔的金属箔材或镀有导电电极的聚合物薄膜。