基于离子热电材料的柔性温度传感器及其制备方法
阅读说明：本技术 基于离子热电材料的柔性温度传感器及其制备方法 (Flexible temperature sensor based on ionic thermoelectric material and preparation method thereof ) 是由 林强 李德钊 王煜猛 史胜南 阮杨涛 严勇 祁云峰 于 2020-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于离子热电材料的柔性温度传感器及其制备方法。本发明的传感器由上至下依次包括上电信号采集层、上电极层、电解质层、下电极层、下电信号采集层、柔性基底。电解质层整体为矩形平板,平板上下两面为对称的沟槽结构,上电极层和下电极层的一面分别附着在电解质层的上、下两面,并具有与电解质层对应的沟槽结构。上电信号采集层和下电信号采集层分别附着在上电极层和下电极层的一另面,下电信号采集层的引脚位于柔性基底上,上电信号采集层的引脚延伸至柔性基底上。本发明具有能够被动工作、能耗低的特点,并具有柔性可弯曲特点。(The invention discloses a flexible temperature sensor based on an ionic thermoelectric material and a preparation method thereof. The sensor comprises an upper electric signal acquisition layer, an upper electrode layer, an electrolyte layer, a lower electrode layer, a lower electric signal acquisition layer and a flexible substrate from top to bottom in sequence. The electrolyte layer is a rectangular flat plate as a whole, the upper surface and the lower surface of the flat plate are of symmetrical groove structures, one surface of the upper electrode layer and one surface of the lower electrode layer are respectively attached to the upper surface and the lower surface of the electrolyte layer, and the electrolyte layer is provided with a groove structure corresponding to the electrolyte layer. The upper electric signal acquisition layer and the lower electric signal acquisition layer are respectively attached to the other surfaces of the upper electrode layer and the lower electrode layer, pins of the lower electric signal acquisition layer are positioned on the flexible substrate, and the pins of the upper electric signal acquisition layer extend to the flexible substrate. The invention has the characteristics of passive work, low energy consumption and flexibility.)
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于离子热电材料的柔性温度传感器，及其该温度传感器的制备方法。
背景技术
鉴于温度传感器可以测量物体的温度，广泛应用于人类生活的各个方面。随着技术的进步，柔性温度传感器有望通过可穿戴的方式实时获取人体的体温信号，被认为在医学监测、生理健康传感、人机交互等各个方面有重要的应用潜力。
柔性温度传感器具有可弯曲，体积小，轻便的特点而备受关注。传统的温度传感器，大多基于无机材料制备而成，可穿戴设备领域的使用上有很大局限性。当前的柔性温度传感器，受限于柔性材料、结构的限制，在测量灵敏度、能耗控制上都存在问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种基于离子热电材料的柔性温度传感器，能够在无外界供电的情况下对被测物体的温度进行监测。
本发明由上至下依次包括上电信号采集层、上电极层、电解质层、下电极层、下电信号采集层、柔性基底。
所述的电解质层整体为矩形平板，平板上下两面为对称的沟槽结构，多条平行布置的沟槽贯通平板的两个侧边。
上电极层的一面和下电极层的一面分别附着在电解质层的上、下两面，并具有与电解质层对应的沟槽结构。
上电信号采集层包括上层整体部分和上电信号采集引脚，下电信号采集层包括下层整体部分和下电信号采集引脚，上层整体部分和下层整体部分分别附着在上电极层的另一面和下电极层的一另面；下电信号采集引脚位于柔性基底上，上电信号采集引脚由上层整体部分延伸至柔性基底上，并与下电信号采集引脚相隔断。
进一步，电解质层平板的厚度H为0.1～2mm，沟槽的宽度l为0.5～3μm，深度h为0.3～2μm；相邻两条沟槽的间距s为0.5～3μm。
进一步，所述的上电信号采集层和下电信号采集层的厚度为0.1～0.5μm。
本发明的另一个目的是提供该柔性温度传感器的制备方法。
该制备方法具体是：
步骤(1).制备电解质层：
(1-1).将固态聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物加入N,N-二甲基甲酰胺水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(1-2).将溶解液在60～80℃的水浴环境中恒温磁力搅拌6～10小时，然后加入1-乙基,3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体，搅拌均匀，形成电解质溶液
(1-3).在真空环境下，将电解质溶液静置到凝胶状态，形成电解质凝胶；
(1-4).将电解质凝胶通过模具挤压成上下两面具有沟槽的平板；在惰性气体环境中干燥，形成具有沟槽结构的电解质层；
步骤(2).制备电极溶液：
(2-1).将固态聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物加入N,N-二甲基甲酰胺水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(2-2).将溶解液在60～80℃的水浴环境中恒温磁力搅拌6～10小时，获得含量均一的配置溶液；然后加入碳纳米管和氧化石墨烯，形成均质的电极溶液；
步骤(3).制备电极层：
(3-1).将金属薄膜粘附在柔性基底上，通过曝光，刻蚀得到下电信号采集层；下电信号采集层包括下层整体部分和下电信号采集引脚；
(3-2).将电极溶液置于下电信号采集层的整体部分上，静置到凝胶状态，形成凝胶质的电极膜；
(3-3).将电解质层置于电极膜上，另取一电极膜置于电解质层上，热压结合，形成下电极层和上电极层；上、下电极层具有与电解质层对应的沟槽结构；
步骤(4).在上电极层上通过磁共溅射方法附着金属薄膜，得到上电信号采集层；上电信号采集层延伸至柔性基底，作为上电信号采集引脚。
进一步，(1-1)中N,N-二甲基甲酰胺水溶液浓度为0.1～0.2g/ml，每升N,N-二甲基甲酰胺水溶液加入固态聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的量为150～250g。
进一步，(1-2)中加入的3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体与(1-1)中加入的固态聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的质量比为1：0.5～1.5。
进一步，(1-4)中干燥后形成的具有沟槽结构的电解质层平板的厚度H为0.1～2mm，沟槽的宽度l为0.5～3μm，深度h为0.3～2μm；相邻两条沟槽的间距s为0.5～3μm。
进一步，(2-1)中N,N-二甲基甲酰胺水溶液浓度为0.1～0.2g/ml，每升N,N-二甲基甲酰胺水溶液加入固态聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的量为200～300g。
进一步，(2-2)中每升配置溶液加入250～500g碳纳米管、50～100g氧化石墨烯。
进一步，所述的柔性基板为聚四氟乙烯基板。
本发明基于离子热电材料的基本特征，即材料两端有不同温差存在的情况下即可输出不同的电压，使得该传感器具有被动工作，能耗低的特点，同时由于材料的本身为柔性可弯曲基底，保证了该传感器在可穿戴领域的应用潜力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明分解结构示意图；
图3为电解质层的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。需要注意，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的实施方式所限制。
如图1和2所示，一种基于离子热电材料的柔性温度传感器，由上至下包括上电信号采集层1、上电极层2、电解质层3、下电极层4、下电信号采集层5、柔性基底6。
如图3所示，电解质层3整体为矩形平板，平板上下两面为对称的沟槽结构；多条平行布置的沟槽贯通平板的两个侧边。电解质层平板的厚度H为0.1～2mm，沟槽的宽度l为0.5～3μm，深度h为0.3～2μm；相邻两条沟槽的间距s为0.5～3μm。
上电极层2的一面和下电极层4的一面分别附着在电解质层3的上、下两面，并具有与电解质层3对应的沟槽结构。
上电信号采集层1包括上层整体部分和上电信号采集引脚，下电信号采集层5包括下层整体部分和下电信号采集引脚，上层整体部分和下层整体部分分别附着在上电极层的另一面和下电极层的一另面；下电信号采集引脚位于柔性基底6上，上电信号采集引脚由上层整体部分延伸至柔性基底上，并与下电信号采集引脚相隔断。上层整体部分和下层整体部分的厚度为0.1～0.5μm。
该柔性温度传感器的具体制备方法实施例如下：
实施例1.
步骤(1).制备电解质层：
(1-1).将150g的固态聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)加入1升浓度为0.1g/ml的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(1-2).将溶解液在70℃的水浴环境中恒温磁力搅拌8小时，然后加入100g的1-乙基,3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(EMIMT-TFSI)离子液体，搅拌均匀，形成电解质溶液；
(1-3).在真空环境下，将电解质溶液静置到凝胶状态，形成电解质凝胶；
(1-4).将电解质凝胶通过模具挤压成上下两面具有沟槽的平板；在惰性气体环境中干燥，形成具有沟槽结构的电解质层，其厚度H为2mm，沟槽的宽度l为3μm，深度h为2μm，相邻两条沟槽的间距s为3μm；
步骤(2).制备电极溶液：
(2-1).将200g的固态PVDF-HFP加入1升浓度为0.1g/ml的DMF水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(2-2).将溶解液在65℃的水浴环境中恒温磁力搅拌9小时，获得含量均一的配置溶液；然后加入碳纳米管(CNTs)和氧化石墨烯(GO)，形成均质的电极溶液；添加比例为每升配置溶液加入250g的CNTs、50g的GO；
步骤(3).制备电极层：
(3-1).将厚度为0.5μm的金属薄膜粘附在柔性基底上，通过曝光，刻蚀得到下电信号采集层；下电信号采集层包括下层整体部分和下电信号采集引脚；柔性基板可以采用聚四氟乙烯基板；
(3-2).将电极溶液置于下电信号采集层的整体部分上，静置到凝胶状态，形成凝胶质的电极膜；
(3-3).将电解质层置于电极膜上，另取一电极膜置于电解质层上，热压结合，形成下电极层和上电极层；上、下电极层具有与电解质层对应的沟槽结构；
步骤(4).在上电极层上通过磁共溅射方法附着金属薄膜，得到上电信号采集层；上电信号采集层延伸至柔性基底，作为上电信号采集引脚。
实施例2.
步骤(1).制备电解质层：
(1-1).将200g的固态PVDF-HFP加入1升浓度为0.15g/ml的DMF水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(1-2).将溶解液在60℃的水浴环境中恒温磁力搅拌10小时，然后加入400g的EMIMT-TFSI离子液体，搅拌均匀，形成电解质溶液；
(1-3).在真空环境下，将电解质溶液静置到凝胶状态，形成电解质凝胶；
(1-4).将电解质凝胶通过模具挤压成上下两面具有沟槽的平板；在惰性气体环境中干燥，形成具有沟槽结构的电解质层，其厚度H为1mm，沟槽的宽度l为1.5μm，深度h为1μm，相邻两条沟槽的间距s为1.5μm；
步骤(2).制备电极溶液：
(2-1).将250g的固态PVDF-HFP加入1升浓度为0.15g/ml的DMF水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(2-2).将溶解液在80℃的水浴环境中恒温磁力搅拌6小时，获得含量均一的配置溶液；然后加入CNTs和氧化石墨烯GO，形成均质的电极溶液；添加比例为每升配置溶液加入350g的CNTs、100g的GO；
步骤(3).制备电极层：
(3-1).将厚度为0.3μm的金属薄膜粘附在柔性基底上，通过曝光，刻蚀得到下电信号采集层；下电信号采集层包括下层整体部分和下电信号采集引脚；
(3-2).将电极溶液置于下电信号采集层的整体部分上，静置到凝胶状态，形成凝胶质的电极膜；
(3-3).将电解质层置于电极膜上，另取一电极膜置于电解质层上，热压结合，形成下电极层和上电极层；上、下电极层具有与电解质层对应的沟槽结构；
步骤(4).在上电极层上通过磁共溅射方法附着金属薄膜，得到上电信号采集层；上电信号采集层延伸至柔性基底，作为上电信号采集引脚。
实施例3.
步骤(1).制备电解质层：
(1-1).将250g的固态PVDF-HFP加入1升浓度为0.2g/ml的DMF水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(1-2).将溶解液在80℃的水浴环境中恒温磁力搅拌6小时，然后加入250g的EMIMT-TFSI离子液体，搅拌均匀，形成电解质溶液；
(1-3).在真空环境下，将电解质溶液静置到凝胶状态，形成电解质凝胶；
(1-4).将电解质凝胶通过模具挤压成上下两面具有沟槽的平板；在惰性气体环境中干燥，形成具有沟槽结构的电解质层，其厚度H为0.1mm，沟槽的宽度l为0.5μm，深度h为0.3μm，相邻两条沟槽的间距s为0.5μm；
步骤(2).制备电极溶液：
(2-1).将300g的固态PVDF-HFP加入1升浓度为0.2g/ml的DMF水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(2-2).将溶解液在60℃的水浴环境中恒温磁力搅拌10小时，获得含量均一的配置溶液；然后加入CNTs和氧化石墨烯GO，形成均质的电极溶液；添加比例为每升配置溶液加入500g的CNTs、80g的GO；
步骤(3).制备电极层：
(3-1).将厚度为0.1μm的金属薄膜粘附在柔性基底上，通过曝光，刻蚀得到下电信号采集层；下电信号采集层包括下层整体部分和下电信号采集引脚；
(3-2).将电极溶液置于下电信号采集层的整体部分上，静置到凝胶状态，形成凝胶质的电极膜；
(3-3).将电解质层置于电极膜上，另取一电极膜置于电解质层上，热压结合，形成下电极层和上电极层；上、下电极层具有与电解质层对应的沟槽结构；
步骤(4).在上电极层上通过磁共溅射方法附着金属薄膜，得到上电信号采集层；上电信号采集层延伸至柔性基底，作为上电信号采集引脚。
实施例4.
步骤(1).制备电解质层：
(1-1).将180g的固态PVDF-HFP加入1升浓度为0.16g/ml的DMF水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(1-2).将溶解液在75℃的水浴环境中恒温磁力搅拌7小时，然后加入100g的EMIMT-TFSI离子液体，搅拌均匀，形成电解质溶液；
(1-3).在真空环境下，将电解质溶液静置到凝胶状态，形成电解质凝胶；
(1-4).将电解质凝胶通过模具挤压成上下两面具有沟槽的平板；在惰性气体环境中干燥，形成具有沟槽结构的电解质层，其厚度H为0.5mm，沟槽的宽度l为1.5μm，深度h为0.5μm，相邻两条沟槽的间距s为1.5μm；
步骤(2).制备电极溶液：
(2-1).将240g的固态PVDF-HFP加入1升浓度为0.18g/ml的DMF水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(2-2).将溶解液在75℃的水浴环境中恒温磁力搅拌7小时，获得含量均一的配置溶液；然后加入CNTs和氧化石墨烯GO，形成均质的电极溶液；添加比例为每升配置溶液加入400g的CNTs、60g的GO；
步骤(3).制备电极层：
(3-1).将厚度为0.2μm的金属薄膜粘附在柔性基底上，通过曝光，刻蚀得到下电信号采集层；下电信号采集层包括下层整体部分和下电信号采集引脚；
(3-2).将电极溶液置于下电信号采集层的整体部分上，静置到凝胶状态，形成凝胶质的电极膜；
(3-3).将电解质层置于电极膜上，另取一电极膜置于电解质层上，热压结合，形成下电极层和上电极层；上、下电极层具有与电解质层对应的沟槽结构；
步骤(4).在上电极层上通过磁共溅射方法附着金属薄膜，得到上电信号采集层；上电信号采集层延伸至柔性基底，作为上电信号采集引脚。
实施例5.
步骤(1).制备电解质层：
(1-1).将220g的固态PVDF-HFP加入1升浓度为0.18g/ml的DMF水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(1-2).将溶解液在65℃的水浴环境中恒温磁力搅拌9小时，然后加入120g的EMIMT-TFSI离子液体，搅拌均匀，形成电解质溶液；
(1-3).在真空环境下，将电解质溶液静置到凝胶状态，形成电解质凝胶；
(1-4).将电解质凝胶通过模具挤压成上下两面具有沟槽的平板；在惰性气体环境中干燥，形成具有沟槽结构的电解质层，其厚度H为1.5mm，沟槽的宽度l为2μm，深度h为1μm，相邻两条沟槽的间距s为2μm；
步骤(2).制备电极溶液：
(2-1).将250g的固态PVDF-HFP加入1升浓度为0.18g/ml的DMF水溶液中充分溶解，形成溶解液；
(2-2).将溶解液在75℃的水浴环境中恒温磁力搅拌7小时，获得含量均一的配置溶液；然后加入CNTs和氧化石墨烯GO，形成均质的电极溶液；添加比例为每升配置溶液加入300g的CNTs、90g的GO；
步骤(3).制备电极层：
(3-1).将厚度为0.4μm的金属薄膜粘附在柔性基底上，通过曝光，刻蚀得到下电信号采集层；下电信号采集层包括下层整体部分和下电信号采集引脚；柔性基板为聚四氟乙烯基板；
(3-2).将电极溶液置于下电信号采集层的整体部分上，静置到凝胶状态，形成凝胶质的电极膜；
(3-3).将电解质层置于电极膜上，另取一电极膜置于电解质层上，热压结合，形成下电极层和上电极层；上、下电极层具有与电解质层对应的沟槽结构；
步骤(4).在上电极层上通过磁共溅射方法附着金属薄膜，得到上电信号采集层；上电信号采集层延伸至柔性基底，作为上电信号采集引脚。
工作状态下，当柔性传感器上下表面的温度不同时，由于热电离子效应，柔性电解质中的阴阳离子在温度梯度力的作用下，向上、下电极层扩散运动。由于上、下电极的阴阳离子富集程度不同，使得传感器两端的电压差不同，该电压差的大小取决于传感器两端的温差。
使用方案1：病人监护过程中，在皮肤表面佩戴该传感器。由于所处病房环境温度基本不变，当人体温度发生变化，传感器的电压将会发生变化，可以实现病人的体温实时监控。
使用方案2：普通人佩戴该传感器，由于正常人体温度变化不大，当所处环境发生较大的温度改变，传感器两端会产生较大电压，提醒人适当增减衣服，保障使用者的身体健康。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种石墨烯薄膜传感器及其制备方法、设备