本發(fā)明屬于傳感器領域，具體涉及一種基于載銀納米纖維的柔性力敏傳感器及其制備方法。

背景技術：

由于現代社會對于健康檢測、人機交流、檢測壓力分布等方面的迫切需求，基于壓力傳感器工作原理的柔性壓力傳感器成為新興的研究熱點。目前，壓力傳感器的應用不僅局限于水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、船舶、機床、管道等工業(yè)生產方面。在體育保健，即檢測運動狀態(tài)，呼吸狀況，健康指標等方面也有很大需求。隨著社會的發(fā)展，將電子器件小型化成為了新的研究熱點，傳統電子器件用于人體皮膚可能割傷甚至感染細菌，有害身體健康。所以柔性成為我們關注的熱點。但是受到材料性質以及制備工藝的限制，基于壓力傳感器的柔性電子器件研究較少，而用于皮膚上同時具備柔性與抗菌性的電子皮膚還是空白。采用靜電紡絲法制備的高分子材料微納米纖維膜具有較好的柔性，將導電材料摻雜粒子到電紡前驅液中制備的復合納米纖維具有一定的導電性能，在柔性傳感器方面具有潛在的應用前景，尤其是具有抗菌和導電雙重作用的納米銀顆粒，將納米銀顆粒作為摻雜劑所得的復合纖維理論上可以具備導電性和抗菌性，擁有較好的應用前景，然而，現有靜電紡絲制備載銀納米纖維方面存在諸多不足之處，直接混紡過程中，銀納米顆粒的摻雜量嚴重受到可紡性的制約；且納米顆粒易團聚，不易獲得均勻的紡絲前驅液，導致銀納米顆粒在材料中分布不均勻，且制備的納米纖維直徑不均勻，影響材料的性能。

技術實現要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：克服現有技術缺陷，提供一種基于載銀納米纖維的柔性力敏傳感器及其制備方法。該傳感器制備方法簡單、成本低且適宜大規(guī)模生產，該傳感器的敏感電阻具有較好的柔韌性，可直接粘附于皮膚上，不會傷害皮膚，且具有較好的溫度性和靈敏度，可以實現對脈搏、呼吸頻率、心跳等生理活動的監(jiān)測。同時，還具有抗菌作用直接與皮膚接觸更加安全。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于載銀納米纖維的柔性力敏傳感器，包括柔性力敏電阻薄膜，所述的柔性力敏電阻薄膜與電源和電流表串聯，所述的柔性力敏電阻薄膜包括載銀納米纖維膜，以及覆蓋于載銀納米纖維膜上下表面的彈性保護膜，所述的載銀納米纖維膜的兩端分別連接導線，所述的載銀納米纖維膜由海藻酸/銀納米顆粒復合納米纖維組成，所述的海藻酸/銀納米顆粒復合納米纖維是由靜電紡絲法制得的海藻酸鈉納米纖維，經離子交換制得海藻酸銀納米纖維，再還原銀離子制得的，所述的海藻酸/銀納米顆粒復合納米纖維的內部和外表面均均勻分布有納米銀顆粒。

優(yōu)選的，所述的柔性力敏電阻薄膜在收到壓力壓迫形變時電阻隨形變程度變化，所受壓力越大，形變程度越大，柔性力敏電阻薄膜的電阻越小，電流表顯示的電流越大。

發(fā)明人在對產品電學性能測試時發(fā)現，本發(fā)明的柔性力敏電阻薄膜的電阻會隨薄膜彎曲曲率的增大而減小(即受壓力越大，形變程度越大，柔性力敏電阻薄膜的電阻越小)，發(fā)明人認為該柔性力敏電阻薄膜具有這一性質的原因有：(1)載銀納米纖維膜在受壓形變時，纖維與纖維間的接觸更加緊密，使得纖維間接觸點增多，使得材料的導電性能增強，電阻減??；(2)在此過程中載銀納米纖維上的銀納米顆粒在受壓彎曲時顆粒間間距變小，顆粒之間接觸更加密切，使得材料的導電性能增強，電阻率減小，利用這一性質可以通過傳感器電流表示數的變化分析判斷柔性力敏電阻薄膜所受壓力的變化，且該傳感器靈敏度極高，將該傳感器的柔性力敏電阻薄膜粘附于皮膚上，可以通過其隨皮膚的波動，實現對脈搏、呼吸頻率、心跳等生理活動的監(jiān)測。同時，基于載銀納米纖維的銀納米顆粒的抗菌性，該傳感器的柔性力敏電阻薄膜直接于皮膚接觸，應用于醫(yī)學領域更加安全。

優(yōu)選的，所述的海藻酸鈉納米纖維為海藻酸鈉和水溶性高分子材料復合納米纖維。

靜電紡絲法制備純的海藻酸鈉纖維存在一定的難度，加入水溶性高分子可以增強海藻酸鈉的可紡性，更容易制得的海藻酸鈉復合纖維，且海藻酸鈉復合纖維中的水溶性高分子材料在后續(xù)的浸于反應液中進行離子交換負載銀離子的過程中會溶于反應液中，不會影響最終所得的海藻酸/納米銀復合納米纖維的組成成分和纖維的結構性能。

優(yōu)選的，所述的水溶性材料為聚環(huán)氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇的一種或多種。

優(yōu)選的，所述的彈性保護膜為聚二甲基硅氧烷(pdms)彈性薄膜。

本發(fā)明還公開了所述的基于載銀納米纖維的柔性力敏傳感器的制備方法，包括以下步驟：

(1)電紡海藻酸鈉納米纖維：配制含有海藻酸鈉的紡絲前驅液，用靜電紡絲法制備海藻酸鈉納米纖維膜；

(2)負載銀離子：將步驟(1)制得的海藻酸鈉納米纖維浸于硝酸銀溶液中，使纖維的鈉離子與銀離子進行離子交換，形成海藻酸銀納米纖維，將樣品取出，用去離子水清洗樣品；

(3)還原銀離子：將步驟(2)所得的樣品浸于還原劑溶液中還原纖維內部和表面的銀離子，在海藻酸鈉納米纖維表面形成銀納米顆粒包裹殼層后，用去離子水清洗樣品，干燥樣品即得載銀納米纖維膜；

(4)力敏電阻組裝：將步驟(3)所得的載銀納米纖維膜兩端通過銀膠連接導線后，在載銀納米纖維膜的上下表面包覆彈性保護膜即得柔性力敏電阻薄膜；

(5)器件組裝：將步驟(4)所得的柔性力敏電阻薄膜與電源和電流表串聯即得柔性力敏傳感器。

本發(fā)明的載銀納米纖維膜在制備過程中，采用靜電紡絲首先制備海藻酸鈉納米纖維，再結合離子交換與原位還原自組裝，該方法成功克服了可紡性對納米銀顆粒摻雜量的限制，避免了電紡過程中納米銀顆粒團聚的問題，該方法可以實現含有納米銀的復合纖維的規(guī)?；a，海藻酸鈉納米纖維直徑小比表面積大可與硝酸銀溶液充分接觸進行離子交換，在纖維的內部和表面充分負載銀離子，所負載的銀離子進一步還原為銀納米顆粒，使得所得載銀海藻酸納米纖維的銀納米顆粒含量高，納米銀顆粒在纖維的內部和表面分布均勻，且復合纖維的直接仍然為納米級，也具有較大的比表面積使得纖維間具有更多的接觸位點，使材料具有優(yōu)越的電學性能。此外，可以通過調整步驟(2)負載銀離子和步驟(3)還原銀離子的試驗參數的調整控制復合納米纖維的納米銀顆粒的粒徑，從而靈活調整材料的性能和形貌。

優(yōu)選的，所述的步驟(1)電紡海藻酸鈉納米纖維：在常溫下，稱取海藻酸鈉粉末0.5～2g，加入容器中，再加入0.1～0.2g聚環(huán)氧乙烷，0.4～0.5g曲拉通，2～3g二甲基亞砜，30～40g去離子水，在常溫下攪拌至溶液均勻透明得紡絲前驅液，將紡絲前驅液注入靜電紡絲裝置中，用靜電紡絲法制備海藻酸鈉納米纖維，紡絲電壓10～15kv，紡絲距離12～18cm，紡絲時間20～30min，電紡所得海藻酸鈉納米纖維置于烘箱中置于40～60℃烘箱中干燥1～3h。

優(yōu)選的，所述的步驟(1)電紡海藻酸鈉納米纖維：在常溫下，稱取海藻酸鈉粉末1～2g，加入容器中，再加入0.5～1g聚乙烯醇，0.4～0.5g曲拉通，2～3g二甲基亞砜，30～40g去離子水，在常溫下攪拌至溶液均勻透明得紡絲前驅液，將紡絲前驅液注入靜電紡絲裝置中，用靜電紡絲法制備海藻酸鈉納米纖維，紡絲電壓12～18kv，紡絲距離10～15cm，紡絲時間20～30min，電紡所得海藻酸鈉納米纖維置于烘箱中置于40～60℃烘箱中干燥1～3h

優(yōu)選的，其特征在于，所述的步驟(2)負載銀離子：配置硝酸銀水溶液，所述的硝酸銀水溶液中硝酸銀的含量為20～30wt％，將步驟(1)制得的海藻酸鈉納米纖維浸于硝酸銀水溶液中，浸泡20～30分鐘，取出后用去離子水沖洗2～3次。

優(yōu)選的，所述的步驟(3)還原銀離子：將步驟(2)所得的樣品浸于二甲胺基硼烷水溶液中還原纖維內部和表面的銀離子，所述的甲胺基硼烷水溶液中甲胺基硼烷的含量為5×10^-2wt％，浸泡10～20分鐘，取出后用去離子水沖洗3～4次并置于50℃烘箱中干燥2～5h，即得載銀納米纖維膜。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了一種基于載銀納米纖維的柔性力敏傳感器及其制備方法。該傳感器制備方法簡單、成本低且適宜大規(guī)模生產，該傳感器的敏感電阻具有較好的柔韌性，可直接粘附于皮膚上，不會傷害皮膚，且具有較好的溫度性和靈敏度，可以實現對脈搏、呼吸頻率、心跳等生理活動的監(jiān)測。同時，還具有抗菌作用直接與皮膚接觸更加安全。

(1)發(fā)明人在對產品電學性能測試時發(fā)現，本發(fā)明的柔性力敏電阻薄膜的電阻會隨薄膜彎曲曲率的增大而減小(即受壓力越大，形變程度越大，柔性力敏電阻薄膜的電阻越小)，發(fā)明人認為該柔性力敏電阻薄膜具有這一性質的原因有：(1)載銀納米纖維膜在受壓形變時，纖維與纖維間的接觸更加緊密，使得纖維間接觸點增多，使得材料的導電性能增強，電阻減?。?2)在此過程中載銀納米纖維上的銀納米顆粒在受壓彎曲時顆粒間間距變小，顆粒之間接觸更加密切，使得材料的導電性能增強，電阻率減小，利用這一性質可以通過傳感器電流表示數的變化分析判斷柔性力敏電阻薄膜所受壓力的變化，且該傳感器靈敏度極高，將該傳感器的柔性力敏電阻薄膜粘附于皮膚上，可以通過其隨皮膚的波動，實現對脈搏、呼吸頻率、心跳等生理活動的監(jiān)測。同時，基于載銀納米纖維的銀納米顆粒的抗菌性，該傳感器的柔性力敏電阻薄膜直接于皮膚接觸，應用于醫(yī)學領域更加安全。

(2)本發(fā)明的載銀納米纖維膜在制備過程中，采用靜電紡絲首先制備海藻酸鈉納米纖維，再結合離子交換與原位還原自組裝，該方法成功克服了可紡性對納米銀顆粒摻雜量的限制，避免了電紡過程中納米銀顆粒團聚的問題，該方法可以實現含有納米銀的復合纖維的規(guī)?；a，海藻酸鈉納米纖維直徑小比表面積大可與硝酸銀溶液充分接觸進行離子交換，在纖維的內部和表面充分負載銀離子，所負載的銀離子進一步還原為銀納米顆粒，使得所得載銀海藻酸納米纖維的銀納米顆粒含量高，納米銀顆粒在纖維的內部和表面分布均勻，且復合纖維的直接仍然為納米級，也具有較大的比表面積使得纖維間具有更多的接觸位點，使材料具有優(yōu)越的電學性能。此外，可以通過調整步驟(2)負載銀離子和步驟(3)還原銀離子的試驗參數的調整控制復合納米纖維的納米銀顆粒的粒徑，從而靈活調整材料的性能和形貌。

附圖說明

圖1：實施例1的壓力傳感器的載銀納米纖維膜的tem照片；

圖2：不同壓力作用下實施例1的壓力傳感器的i-u圖；

圖3：實施例1的壓力傳感器的穩(wěn)定性測試曲線；

圖4：呼吸檢測試驗曲線。

具體實施方式

為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過實施方式對本方案進行闡述。

實施例1

一種基于載銀納米纖維的柔性力敏傳感器，包括柔性力敏電阻薄膜，所述的柔性力敏電阻薄膜與電源和電流表串聯，所述的柔性力敏電阻薄膜包括載銀納米纖維膜，以及覆蓋于載銀納米纖維膜上下表面的彈性保護膜，所述的載銀納米纖維膜的兩端分別連接導線，所述的載銀納米纖維膜由海藻酸/銀納米顆粒復合納米纖維組成，所述的海藻酸/銀納米顆粒復合納米纖維是由靜電紡絲法制得的海藻酸鈉納米纖維，經離子交換制得海藻酸銀納米纖維，再還原銀離子制得的，所述的海藻酸/銀納米顆粒復合納米纖維的內部和外表面均均勻分布有納米銀顆粒，所述的柔性力敏傳感器的制備方法，包括以下步驟：

(1)電紡海藻酸鈉納米纖維：在常溫下，稱取海藻酸鈉粉末1.3g，加入容器中，再加入0.7g聚乙烯醇，0.5g曲拉通，2g二甲基亞砜，33g去離子水，在常溫下攪拌至溶液均勻透明得紡絲前驅液，將紡絲前驅液注入靜電紡絲裝置中，用靜電紡絲法制備海藻酸鈉納米纖維，紡絲電壓15kv，紡絲距離12cm，紡絲時間30min，電紡所得海藻酸鈉納米纖維置于烘箱中置于40℃烘箱中干燥3h，將所得纖維膜裁剪為2×2cm的小片備用；

(2)負載銀離子：配置硝酸銀水溶液，所述的硝酸銀水溶液中硝酸銀的含量為30wt％，將步驟(1)制得的海藻酸鈉納米纖維浸于硝酸銀水溶液中，浸泡20分鐘，取出后用去離子水沖洗3次；

(3)還原銀離子：將步驟(2)所得的樣品浸于二甲胺基硼烷水溶液中還原纖維內部和表面的銀離子，所述的甲胺基硼烷水溶液中甲胺基硼烷的含量為5×10^-2wt％，浸泡15分鐘，取出后用去離子水沖洗3次并置于50℃烘箱中干燥3h，即得載銀納米纖維膜，所得載銀納米纖維膜的形貌特征如圖1所示，該纖維的平均直徑為182nm；

(4)力敏電阻組裝：將步驟(3)所得的載銀納米纖維膜兩端通過銀膠連接導線后，在載銀納米纖維膜的上下表面包覆聚二甲基硅氧烷pdms彈性保護膜即得柔性力敏電阻薄膜；

(5)器件組裝：將步驟(4)所得的柔性力敏電阻薄膜與電源和電流表串聯即得柔性力敏傳感器。

電學性能測試：發(fā)明人測試了本實施例的力敏傳感器在不同壓力作用形變時的電流-電壓曲線(i-u曲線，如圖2所示)，由圖2可以看出，在該力敏傳感器的電阻大小隨壓力的增大而減小，且在壓力大小不變時，電壓和電流成正比，電阻不變。壓力傳感器的穩(wěn)定性如圖3所示，經過數千次的反復試驗，穩(wěn)定性基本保持不變。本發(fā)明的壓力傳感器除了具有較好的穩(wěn)定性以外還具有很高的靈敏度，如將該壓力傳感器的柔性力敏電阻薄膜粘附于腹部皮膚上，可以測試呼吸頻率變化，測試結果如圖4所示。

實施例2

一種基于載銀納米纖維的柔性力敏傳感器，其結構與實施例1的柔性力敏傳感器相似，區(qū)別在于，所述的柔性力敏傳感器的制備方法，包括以下步驟：

(1)電紡海藻酸鈉納米纖維：在常溫下，稱取海藻酸鈉粉末0.64g，加入容器中，再加入0.16g聚環(huán)氧乙烷peo，0.4g曲拉通，2g二甲基亞砜，36.8g去離子水，在常溫下攪拌3h得紡絲前驅液，將紡絲前驅液注入靜電紡絲裝置中，用靜電紡絲法制備海藻酸鈉納米纖維，紡絲電壓12kv，紡絲距離15cm，紡絲時間25min，電紡所得海藻酸鈉納米纖維置于烘箱中置于50℃烘箱中干燥2h，將所得纖維膜裁剪為2×2cm²的小片備用；

(2)負載銀離子：配置硝酸銀水溶液，所述的硝酸銀水溶液中硝酸銀的含量為30wt％，將步驟(1)制得的海藻酸鈉納米纖維浸于硝酸銀水溶液中，浸泡20分鐘，取出后用去離子水沖洗3次；

(3)還原銀離子：將步驟(2)所得的樣品浸于二甲胺基硼烷水溶液中還原纖維內部和表面的銀離子，所述的甲胺基硼烷水溶液中甲胺基硼烷的含量為5×10^-2wt％，浸泡15分鐘，取出后用去離子水沖洗3次并置于50℃烘箱中干燥3h，即得載銀納米纖維膜，載銀納米纖維的平均直徑為207nm；

(4)力敏電阻組裝：將步驟(3)所得的載銀納米纖維膜兩端通過銀膠連接導線后，在載銀納米纖維膜的上下表面包覆pdms彈性保護膜即得柔性力敏電阻薄膜；

(5)器件組裝：將步驟(4)所得的柔性力敏電阻薄膜與電源和電流表串聯即得柔性力敏傳感器。

本發(fā)明所列舉的實施方式僅供理解本發(fā)明之用，并非是對本發(fā)明所描述的技術方案的限定，有關領域的普通技術人員，在權利要求所述技術方案的基礎上，還可以作出多種變化或變形，所有等同的變化或變形都應涵蓋在本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。本發(fā)明未詳述之處，均為本技術領域技術人員的公知技術。