[发明专利]一种各向异性导热的柔性压电传感器及其制备方法

说明书

一种各向异性导热的柔性压电传感器及其制备方法，传感器整体为三明治结构，从上至下分别是定向导热封装层、电极层，导热压电骨架层、电极层和定向导热封装层，具备沿设计方向自生长的特点，其内部包含的二维压电材料BNNS或MoS₂纳米片在聚合物基体聚氨酯、聚乙烯醇或聚二甲基硅氧烷中沿相同方向排列，排列方向与定向导热方向垂直；制备方法包括：(1)二维压电材料的剥离与制备；(2)导热压电骨架层温度梯度排列成型；(3)空间结构化排列压电器件的制备；(4)各向异性导热的柔性压电传感器制作；本发明优点在于：具有更高的力学性能、热学性能以及电学性能，相较于传统方法制备的柔性压电传感器，更适合应用于智能可穿戴电子设备。

技术领域

本发明适用于微纳米复合材料制备及压电传感器制备技术领域，特别涉及一种各向异性导热的柔性压电传感器及其制备方法。

背景技术

随着电子技术的不断发展，传统硅基电子器件(硅基芯片、硅基传感器等)已发展到摩尔定律所描述的物理极限，短时间内很难再有大的技术突破。同时，由于其韧性低、易脆断等本征属性的限制，使得传统硅基传感器远不能满足日益兴起的可穿戴电子设备对可拉伸性、覆形能力等要求。因此，柔性传感器逐渐成为近年来传感器研究热点领域之一。市面上常见的柔性传感器有应变片压阻式、摩擦电式、压电式等多种形式。应变片压阻式柔性传感器结构简单，但受环境影响较大，且需要外接电源才能进行传感工作，不易携带；摩擦电式传感器灵敏度高，但信噪比较低，且精度不能满足可穿戴电子设备的要求。而压电式传感器以其无源、自发电、能量回收方式简单等优势，可以制作出传感-俘能-储能一体化的功能集成式传感器，成为构建交互式人机系统、物联网远端传感节点、智能可穿戴电子设备反馈前端的最佳选择。

柔性可穿戴式压电传感器为满足环境友好性、人体肌肤相容性等要求，常采用环氧树脂(Epoxy)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(TPU)、硅橡胶等有机高分子材料进行封装。但由于穿戴式设备多发生拉伸、弯曲形变，在传感器内部会产生大量热量，再加之上述封装材料导热性能较差，不同压电材料的导热性能也参差不齐，热量的累积不仅会使得传感器的精度、灵敏度降低，使用寿命缩短，更会灼伤人体皮肤，危害极大。

因此，如何解决传感器的热积累效应，使其能在大量形变的同时保持一个相对稳定的温度，成为了柔性传感器能否被大量应用于实际生产生活的关键性科学问题。从导热原理上入手，有如下两种优化方法：

其一，提高聚合物基功能复合材料本身导热率(本征形导热优化)。如上所述，不同压电功能材料本身的导热性质各不相同。钛酸钡、锆钛酸铅等压电陶瓷虽然压电性能优异但导热率较低。而近来研究发现的新兴二维压电材料氮化硼纳米片(BNNS),又被称为“白色石墨”，导热性能良好，被广泛用于传感器的导热性能优化。例如，青岛大学副教授孙彬等人公开了一种基于TPU、TPU-BNNS薄膜、TPU纤维膜三种薄膜紧密贴合的应变片压阻式柔性传感器的制备方法，使传感器的热导率提升到2.9×10⁴W·m^-2·K^-1。封装材料通过适当的添加高导热率材料或者改变其聚合物的链结构、提高结晶度、减少材料内部却像等方式也能改善导热性能。例如，香港理工大学蔡忠龙等通过超拉伸聚乙烯，改变了分子链结构形成针状晶体—晶桥结构，导热系数提高到29.1W·m^-1·K^-1。

其二，结构化设计导热通路(填充形状导热优化)。通过在传感器中设计制备出散热肋等高比表面积结构，提高热流在传感器中的传递速度，从而达到加速传感器散热，提升导热率的目的。例如，浙江大学的韩敬恺与其团队利用双向冻结技术构造了一种具有纳米模拟三维导电网络的BNNS/环氧树脂复合材料，在相对较低的BNNS含量下(15％wt)产生了更高的导热率(6.07W·m^-1·K^-1)。浙江大学柏浩及其团队采用改进的双向冻结方法，制备了一种具有微纳米散热肋片结构的rGO/PVA复合薄膜，在极大提升材料导热率的同时，还具备高度可拉伸性和良好的韧性。