阅读说明：本技术 一种便携式自供能水凝胶应变传感器的制备方法 (Preparation method of portable self-powered hydrogel strain sensor ) 是由 李立东 唐馥 王杰 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：一种便携式自供能水凝胶应变传感器的制备方法,主要是通过选用具有优异拉伸性能的柔性水凝胶作为电解质,在其两端分别组装金属锌片作为负极,金属铜片作为正极,构筑一个柔性水凝胶电池。然后在电池的正负极之间连接一个定值电阻作为信号输出端,构筑成应变传感器。借助电池正负两极间化学能向电能的转化,在定值电阻的两端可以检测到电压信号,即传感器的检测信号。当作为主要基体的水凝胶材料受到外力作用而发生形变时,这一变化会引起其内在电阻值的改变,从而导致输出端电压的改变。因此,可通过检测电压信号达到对外力变化的监测。同时,由于水凝胶电池的自供能效应,该应变传感器无需外接电源,可以微型化制备,具有很好的便携性。(A portable self-powered hydrogel strain sensor is prepared by selecting flexible hydrogel with excellent tensile property as electrolyte, assembling zinc sheet as negative electrode at both ends, using copper sheet as positive electrode to construct flexible hydrogel batteries, connecting constant value resistors between positive and negative electrodes of the batteries as signal output ends to construct a strain sensor, converting chemical energy between positive and negative electrodes of the batteries into electric energy, detecting voltage signals at both ends of the constant value resistors, namely detection signals of the sensor, when hydrogel material as main matrix is deformed by external force, the change can cause the change of internal resistance value, thereby changing the voltage of the output end.)

一种便携式自供能水凝胶应变传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及应变传感器的制备方法，属于传感器领域。特别涉及一种无需外加电源，便携，基于原电池原理的自供能应变传感器的设计与制备方法。

背景技术

基于水凝胶的应变传感器可将微小的机械刺激(如压力和拉力)导致的水凝胶形状变化转换为可测量的电学信号，同时，由于水凝胶具有良好的拉伸性，柔韧性，生物亲和性以及自修复性等特点，使得基于水凝胶的应变传感器在制备与人类健康相关领域的电子设备，例如，脉搏检测器，软体机器人，超级电容器和人造皮肤等方面具有很好的潜在应用前景而受到越来越多的关注。到目前为止，已报道的基于水凝胶的应变传感器按检测信号的不同主要可分为两类：一种是检测因外力刺激导致水凝胶发生形状变化时所引起的电阻值变化，也称为电阻传感器；另一种是检测外力存在时因水凝胶形状改变而产生的电容变化，也称为电容传感器。但这些已报道的传感器绝大多数需要外部电源的驱动以实现其功能，不利于电子设备的微型化，降低了其便携性。然而，目前关于构筑无需外接电源，具有自供能功能的水凝胶应变传感器还鲜有报道。

发明内容

本发明目的在于针对目前已报导的水凝胶传感器，绝大多数需要外接电源来驱动，不利于设备便携化的缺点，提供一种基于原电池原理的便携式自供能水凝胶应变传感器的制备方法。

本发明的技术方案是利用具有一定机械性能的水凝胶作为电解质，选择活泼金属作为负极材料，依据原电池原理，构建水凝胶电池。随后通过增加一个定值电阻构成电路回路而实现一个自供能水凝胶应变传感器制备。此传感器的信号输出端为定值电阻的两端，输出信号为电压，表达式为

其中E为原电池的电动势，R为水凝胶的电阻，R_f为定值电阻，当水凝胶受到外力作用发生形变时会引起其自身电阻R的改变，从而导致输出电压V发生变化，通过对电压的检测可达到对外部应力刺激监测的目的。

本发明的具体步骤如下：

(1)水凝胶的制备

将明胶和单宁酸以质量比为0.7:1的比例溶于80℃的去离子水中，搅拌两小时，将所得沉淀物冷却后塑型即可使用；

(2)原电池的构建

将作为原电池负极材料的锌片和作为原电池正极材料的铜片贴附于水凝胶的两侧，以水凝胶作为电解质，构成原电池；

(3)自供能水凝胶应变传感器的制备；

选用具有一定阻值的定值电阻连接于原电池的正负电极两端，构成一个电路回路，完成自供能水凝胶应变传感器的构建。以定值电阻的两端为信号输出端，输出的信号为电压信号，此即为所制备传感器的检测信号。

进一步地，步骤(1)所述的明胶与单宁酸的质量比可以在0.1：1至1:1范围内调节。

进一步地，在步骤(1)所述的明胶单宁酸复合水凝胶能替换为其它可用做电池电解质且具有一定机械性能的水凝胶。

进一步地，在步骤(2)所述的金属锌片能替换为其他可用于原电池负极的活泼金属材料。

进一步地，在步骤(2)所述的正极材料能替换为其它能与所选用的负极材料构成原电池反应的材料，也可以是空气电极。

进一步地，步骤(2)所述的金属电极除了可直接使用金属片外，也可以通过真空蒸镀等方式在水凝胶两端镀上金属电极膜层，电极在水凝胶上的组装方式不限。

进一步地，步骤(3)所述的定值电阻可以为任意值，当其阻值与水凝胶的初始电阻一样大时，该自供能应变传感器在初始状态的灵敏度达到最大。

本发明所述方法特征之一是选用水凝胶作为原电池的电解质，水凝胶的三维立体网络结构和高含水量使其利于离子传输，具有一定的导电性，可以作为电解质材料。此外，水凝胶的电阻会随其应变而发生改变。特征之二是基于原电池原理，构建自供能水凝胶应变传感器，将原电池反应的化学能转化为电能，无需额外的外部电源支持。当水凝胶受到外力刺激而发生应变时，其电阻的改变引起传感器输出电压信号发生变化，达到检测的目的。

与已报道的水凝胶应变传感器的方法相比，本发明制备的应变传感器由于自供能，无需外接电源，而易于微型化设计，增加了传感器的便携性，并且制备方法非常简便易行。

附图说明

图1为便携式自供能水凝胶应变传感器的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

(1)水凝胶的制备

将明胶和单宁酸以质量比为0.7:1的比例溶于80℃的去离子水中，搅拌两小时，将所得沉淀物冷却塑型即可得到目标水凝胶；

(2)原电池的构建

将作为原电池负极材料的锌片和作为原电池正极材料的铜片贴附于水凝胶两侧的两端，构成原电池；

(3)自供能应变传感器的制备；

将100Ω定值电阻连接于原电池的正负极，定值电阻的两端为信号输出点，输出的信号为电压信号，即可实现自供能应变传感器的制备。

实施例2

(1)水凝胶的制备

将明胶和单宁酸以质量比为0.9:1的比例溶于80℃的去离子水中，搅拌两小时，将所得沉淀物冷却塑型即可得到目标水凝胶；

(2)原电池的构建

将作为原电池负极材料的锌片和作为原电池正极材料的铜片贴附于水凝胶两侧的两端，构成原电池；

(3)自供能应变传感器的制备；

将1kΩ定值电阻连接于原电池的正负极，定值电阻的两端为信号输出点，输出的信号为电压信号，即可实现自供能应变传感器的制备。

实施例3

(1)水凝胶的制备

将明胶和单宁酸以质量比为0.7:1的比例溶于80℃的去离子水中，搅拌两小时，将所得沉淀物冷却塑型即可得到目标水凝胶；

(2)原电池的构建

将作为原电池负极材料的锌片和作为原电池正极材料的空气电极贴附于水凝胶两侧的两端，构成原电池；

(3)自供能应变传感器的制备；

将100Ω定值电阻连接于原电池的正负极，定值电阻的两端为信号输出点，输出的信号为电压信号，即可实现自供能应变传感器的制备。

实施例4

(1)水凝胶的制备

将明胶和单宁酸以质量比为0.7:1的比例溶于80℃的去离子水中，搅拌两小时，将所得沉淀物冷却塑型即可得到目标水凝胶；

(2)原电池的构建

通过真空蒸镀的方式在水凝胶的一端镀上一层锌膜作为原电池的负极材料，将作为原电池正极材料的铜片贴附于水凝胶的另一端，构成原电池；

(3)自供能应变传感器的制备；

将1kΩ定值电阻连接于原电池的正负极，定值电阻的两端为信号输出点，输出的信号为电压信号，即可实现自供能应变传感器的制备。

实施例5

(1)水凝胶的制备

将明胶和单宁酸以质量比为0.5:1的比例溶于80℃的去离子水中，搅拌两小时，将所得沉淀物冷却塑型即可得到目标水凝胶；

(2)原电池的构建

通过真空蒸镀的方式在水凝胶的一端镀上一层锌膜作为原电池的负极材料，将作为原电池正极材料的空气电极贴附于水凝胶的另一端，构成原电池；

(3)自供能应变传感器的制备；

将100Ω定值电阻连接于原电池的正负极，定值电阻的两端为信号输出点，输出的信号为电压信号，即可实现自供能应变传感器的制备。