离子应变传感器及其制备方法与应用与流程

本发明涉及传感器及其应用技术领域，特别是涉及一种离子应变传感器及其制备方法与应用。

背景技术：

随着智能材料和柔性电子学的迅速发展，为便携式医疗以及人机交互等智能穿戴应用开辟了全新的道路。

人体手部活动可以反映外部环境变化与人类随时进行的活动状态，具备复杂、多维度、多变性等显著特点。对手部活动的检测能够为盲文信息的读取、手语活动的多维度检测、人机交互的对话建立等方面提供重要的参考价值。

目前应用在人体活动检测的传感器多为传统压电、压阻膜状传感器件，存在灵敏度低及共形集成难度大等问题。因此，如何发展高灵敏、高频响、低迟滞、高空间分辨率的智能电子产品是可穿戴领域面临的一个重大挑战。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种离子应变传感器及其制备方法与应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种离子应变传感器及其制备方法与应用，以克服现有技术存在的灵敏度低、共形集成难度大等问题。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种离子应变传感器，所述离子应变传感器包括全氟磺酸中间层、设于全氟磺酸中间层两侧的界面过渡层、及设于界面过渡层外侧的表面电极层，所述界面过渡层作为离子迁移通道，所述离子应变传感器的传感信号源于变形过程中全氟磺酸中间层内部水合氢离子的各向异性传输累积。

作为本发明的进一步改进，全氟磺酸中间层和界面过渡层的材料均为nafion-117膜，全氟磺酸中间层的厚度范围为160～200微米，界面过渡层的范围为1～100纳米。

作为本发明的进一步改进，所述表面电极层材料选自金纳米颗粒、银纳米颗粒、多孔石墨烯或碳纳米管中的一种或多种，厚度范围为300～800纳米。

本发明另一实施例提供的技术方案如下：

一种离子应变传感器的制备方法，所述制备方法包括：

s1、提供全氟磺酸中间层；

s2、在全氟磺酸中间层的两侧形成界面过渡层；

s3、在界面过渡层的外侧形成表面电极层。

作为本发明的进一步改进，所述步骤s1具体为：

提供nafion-117膜；或，

通过液相铸膜法，将高分子和离子液体溶于有机溶剂中形成均匀溶液并烘干得到全氟磺酸中间层。

作为本发明的进一步改进，所述步骤s2具体为：

通过等离子体刻蚀或打磨法粗化全氟磺酸中间层；

通过溶液浸渍法、热压铸膜法或高真空磁控溅射法在全氟磺酸中间层两侧形成界面过渡层。

作为本发明的进一步改进，所述步骤s3具体为：

通过循环浸渍-还原法、超高真空磁控溅射法或真空抽滤法在界面过渡层的外侧形成表面电极层。

本发明再一实施例提供的技术方案如下：

一种离子应变传感器的应用，所述离子应变传感器应用于智能手套中，所述智能手套包括手套本体、固定于手套本体上的若干离子应变传感器、及与离子应变传感器电性连接的柔性信号采集模块，所述离子应变传感器为上述的离子应变传感器，所述柔性信号采集模块包括：

微控制器；

信号调理模块，与微控制器相连，用于对离子应变传感器的柔性信号进行前置处理；

a/d转换模块，与微控制器相连，用于柔性信号进行模拟信号-数字信号的转换；

蓝牙通讯模块，与微控制器相连，用于实现与外部的无线数据通讯；

电源管理模块，用于提供稳定纯净电源。

作为本发明的进一步改进，所述柔性信号采集模块包括：

微控制器，所述微控制器为arm嵌入式微控制器s3c4510b；

信号调理模块，包括运算放大器、工频与倍频陷波器及低通滤波器，所述运算放大器为具有超低噪声放大器ad745，所述工频与倍频陷波器为集成芯片lm9f0，所述低通滤波器为max7410芯片；

a/d转换模块，包括内有三态输出缓冲电路的12位逐次逼近型芯片ad574；

蓝牙通讯模块，包括bluecore2-external芯片；

电源管理模块，包括作为基准电压源的adr4525芯片及稳压器芯片ams-1117。

作为本发明的进一步改进，所述离子应变传感器固定于手套本体上的手指指腹部位、关节部位与手腕部位中的一处或多处，所述柔性信号采集模块固定于手套本体的背部，所述离子应变传感器两侧的表面电极层分别与所述柔性信号采集模块电性连接。

本发明的有益效果是：

本发明创新性地采离子应变传感器读取力学应变信息，将纳米电极材料与聚电解质材料相结合，通过构筑快速响应的离子输运通道，具有无源检测、智能翻译、复杂形变高稳定性等特性；

将离子应变传感器与柔性信号采集模块结合，克服了柔性共形性差、准确性低等关键问题，实现复杂多维度方位识别与微弱信号高灵敏感知功能，具有低功耗、高分辨、高稳定、高空间响应性等特点，在复杂构型手语活动的识别、精细盲文的读取及智能机器手的远程控制等领域具有重要的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中离子应变传感器的结构示意图；

图2为本发明中离子应变传感器制备方法的流程示意图；

图3a、3b为本发明中智能手套内侧和外侧的结构示意图；

图4为本发明中柔性信号采集模块的模块示意图；

图5a为本发明实施例1中字母与盲文的对应图；

图5b为本发明实施例1中盲文识别的传感器响应信号变化图；

图6为本发明实施例2中手语识别的传感器响应信号变化图；

图7a为本发明实施例3中应变弯曲角度与响应电压信号之间的线性拟合；

图7b为本发明实施例3中远程控制的信号变化图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明公开了一种离子应变传感器，包括全氟磺酸中间层11、设于全氟磺酸中间层两侧的界面过渡层(未图示)、及设于界面过渡层外侧的表面电极层12，界面过渡层作为离子迁移通道，离子应变传感器的传感信号源于变形过程中全氟磺酸中间层11内部水合氢离子111的各向异性传输累积。

优选地，全氟磺酸中间层11材料为nafion-117膜，厚度范围为160～200微米。

优选地，界面过渡层的材料和全氟磺酸中间层的材料相同，厚度范围为1～100纳米。

优选地，表面电极层12材料选自金纳米颗粒、银纳米颗粒、多孔石墨烯或碳纳米管等中的一种或多种，厚度范围为300～800纳米。

参图2所示，本发明还公开了一种离子应变传感器的制备方法，包括：

s1、提供全氟磺酸中间层；

s2、在全氟磺酸中间层的两侧形成界面过渡层；

s3、在界面过渡层的外侧形成表面电极层。

优选地，步骤s1具体为：

提供nafion-117膜；或，

通过液相铸膜法，将高分子和离子液体溶于有机溶剂中形成均匀溶液，并注入载玻片烘干后得到全氟磺酸中间层。

优选地，步骤s2具体为：

通过等离子体刻蚀或打磨法粗化全氟磺酸中间层；

通过溶液浸渍法、热压铸膜法或高真空磁控溅射法在全氟磺酸中间层两侧形成界面过渡层，从而形成有效的离子迁移通道，使得电极颗粒渗透介入而形成。

优选地，步骤s3具体为：

通过循环浸渍-还原法、超高真空磁控溅射法或真空抽滤法在界面过渡层的外侧形成表面电极层。

在本发明的一具体实施例中，离子应变传感器的制备方法具体工艺如下：

1.聚电解质材料预处理：从商用聚电解质nafion-117薄膜上裁剪下合适大小的一块膜，分别用去离子水、5％h2o2溶液以及0.5mol/lh2so4溶液中循环清洗3次，每次10min，旨在去除薄膜表面可能带有的各种有机杂质、有机杂质及无机金属阳离子。

2.界面过渡层制备：采用等离子体刻蚀法或手动打磨法进行表面粗化，目的是提高界面的粗糙度，提升传感材料的传感性能。通过溶液浸渍法、热压铸膜法或高真空磁控溅射法，在预处理的聚电解质层表面形成均匀、厚度在100纳米以内的界面过渡层。

3.表面电极层制备：通过循环浸渍法、真空抽滤法或高真空磁控溅射法在界面过渡层表面形成300-800纳米厚度、导电性优良的表面电极层。

4.封装与集成：采用导电银浆加温固化方式将导线连接至经过上述制备步骤的薄膜器件的上下表面，并利用派瑞林封装设备对经过上述制备步骤的薄膜器件表面封装pdms薄层。

参图3a、3b所示，本发明还公开了一种离子应变传感器的应用，该离子应变传感器应用于智能手套中，智能手套包括手套本体30、固定于手套本体上的若干离子应变传感器10、及与离子应变传感器电性连接的柔性信号采集模块20，离子应变传感器为上述的离子应变传感器。

图3a、3b中的智能手套上共设有8个离子应变传感器，当然，离子应变传感器的数量及固定位置可根据需要进行设计。

结合图4所示，本发明中的柔性信号采集模块包括：

微控制器21；

信号调理模块22，与微控制器相连，用于对离子应变传感器的柔性信号进行前置处理；

a/d转换模块23，与微控制器相连，用于柔性信号进行模拟信号-数字信号的转换；

蓝牙通讯模块24，与微控制器相连，用于实现与外部的无线数据通讯；

电源管理模块25，用于提供稳定纯净电源。

优选地：

微控制器21为arm嵌入式微控制器s3c4510b；

信号调理模块22包括运算放大器、工频与倍频陷波器及低通滤波器，运算放大器为具有超低噪声放大器ad745，工频与倍频陷波器为集成芯片lm9f0，低通滤波器为max7410芯片；

a/d转换模块23包括内有三态输出缓冲电路的12位逐次逼近型芯片ad574；

蓝牙通讯模块24包括bluecore2-external芯片；

电源管理模块25包括作为基准电压源的adr4525芯片及稳压器芯片ams-1117。

本发明中的离子应变传感器10固定于手套本体上的手指指腹部位、关节部位与手腕部位中的一处或多处，柔性信号采集模块20固定于手套本体的背部，离子应变传感器10两侧的表面电极层分别与柔性信号采集模块20电性连接。

其中，离子应变传感器与柔性信号采集模块通过杜邦导线电性连接。离子应变传感器通过商用柔性硅胶绝缘胶水固定于手套本体表面。柔性信号采集模块集成于电路板上，采用绝缘纱线将电路板周围的通孔缝制在手套本体背部，并辅以商用柔性硅胶绝缘胶水固定于手套本体表面。

通过蓝牙通讯模块24的设计，能够实现智能手套与移动端(如app应用程序等)的无线数据通讯，通讯过程包括：

1)利用移动端蓝牙功能创建与柔性信号采集模块之间的无线通讯，接收其传输的二进制数据；

2)根据接收的二进制数据，绘制出传感器响应信号变化图像，从而反映盲文位点信息或人体活动状态，实现手语及盲文的有效识别等功能。

本发明可应用于智能盲文识别手套、智能手语识别手套及智能远程控制手套等，以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例中以离子应变传感器及应用其的智能盲文识别手套为例进行说明。

离子应变传感器采用1200目砂纸对聚电解质薄膜进行粗化处理，然后进行预处理。然后通过循环浸渍还原法制备电极。

具体制备方法为：

将其浸渍在[au(phen)cl2]cl溶液中，浸渍24h后取出，用去离子水冲洗；

随后放入盛有去离子水的烧杯中并放入60℃的水浴锅中，然后向烧杯中逐次滴入质量分数为5％的na2so3溶液完成还原过程；

用75℃的0.5mol/l的稀h2so4溶液与去离子水中清洗，用于除去浸渍/还原过程中可能引入的na+离子；

将制备完成的传感器薄膜夹平并固定在两片载玻片中间，在140℃的条件下加热2小时，旨在消除制备过程的各个环节给传感器薄膜引入的内应力；

继而采用导电银浆加温固化方式将导线连接至传感器的上下表面，并利用派瑞林封装设备对薄膜器件表面封装pdms薄层。

最后利用柔性硅胶胶水将制备完成的传感器粘贴于手套的手指关节背部与手腕部位。

本实施例中的柔性信号采集模块主要包括：微控制器、信号调理模块、a/d转换模块、蓝牙通讯模块以及电源管理模块。

信号调理模块包括：运算放大器、工频与倍频陷波器及低通滤波器，实现对传感信号的前置处理；运算放大器选用具有超低噪声放大器ad745，工频与倍频陷波器选用集成芯片lm9f0为核心器件，低通滤波器选用max7410芯片。

a/d转换芯片a/d转换芯片选用12位内有三态输出缓冲电路的逐次逼近型芯片ad574，通过arm嵌入式微控制器s3c4510b的控制，实现模拟信号-数字信号的转换。

蓝牙通讯芯片选用bluecore2-external芯片，通过arm嵌入式微控制器s3c4510b的控制，实现与移动端的无线数据通讯。

电源管理芯片选用adr4525芯片作为基准电压源，与稳压器芯片ams-1117共同为电路提供稳定纯净电源。

移动端利用蓝牙接收功能，创建移动端与柔性信号采集模块之间的无线通讯。当穿戴本实施例中的智能盲文识别手套后，触碰不同的盲文位点，将接收到不同的数据，绘制出传感器响应信号变化图像。

参图5a为本实施例中字母与盲文的对应图，图5b为本实施例中传感器响应信号变化图，本实施例中通过3个离子应变传感器在2个时刻(5s和15s)的响应信号，识别到信号后再与图5a进行比对，即可实现盲文的识别，识别出的结果分别为n、a、n、o。

实施例2：

本实施例中以离子应变传感器及应用其的智能手语识别手套为例进行说明。

离子应变传感器中采用真空抽滤法制备表面电极层。

具体制备方法为：

称取4.5gtpu，0.9gemitfsi溶于30mldmac中，磁力搅拌24h获得均匀分散液，取3ml均匀分散液注入到玻璃片上，在60℃加热平台上烘干得到全氟磺酸中间层；

称取3mg银纳米线分散在水中，然后称取摩尔比例为1:0的多孔石墨烯和碳管制备成nmp分散液，多孔石墨烯的浓度为1.3mg/ml，冰浴超声30min；

将银纳米线和多孔石墨烯/碳管层逐层沉积到pvdf滤纸上，然后在40℃加热平台上烘干得到多层结构的表面电极层；

采用热压铸膜法将全氟磺酸全氟磺酸中间层与表面电极层复合，并形成界面过渡层。

热压铸膜法具体为：将两个表面电极层置于全氟磺酸中间层两侧在100℃下热压成型，构成复合基离子应变传感器件。

最后用硅胶绝缘胶水固定于手套手指关节背部与手腕部位。

本实施例中的柔性信号采集模块主要包括：微控制器、信号调理模块、a/d转换模块、蓝牙通讯模块以及电源管理模块。

信号调理模块包括：运算放大器、工频与倍频陷波器及低通滤波器，实现对传感信号的前置处理；运算放大器选用具有超低噪声放大器ad745，工频与倍频陷波器选用集成芯片lm9f0为核心器件，低通滤波器选用max7410芯片。

a/d转换芯片a/d转换芯片选用12位内有三态输出缓冲电路的逐次逼近型芯片ad574，通过arm嵌入式微控制器s3c4510b的控制，实现模拟信号-数字信号的转换。

蓝牙通讯芯片选用bluecore2-external芯片，通过arm嵌入式微控制器s3c4510b的控制，实现与移动端的无线数据通讯。

电源管理芯片选用adr4525芯片作为基准电压源，与稳压器芯片ams-1117共同为电路提供稳定纯净电源。

移动端利用蓝牙接收功能，创建移动端与柔性微弱信号采集模块之间的无线通讯，接收其传输的二进制数据，并根据接收的数据，绘制出传感器响应信号变化图像，并依据此复现不同手语动作以及手语动作表达的涵义。为建立残疾人士与健康人群之间的无障碍沟通提供重要基础。

参图6所示为本实施例中手语识别的示意图，本实施例中通过8个离子应变传感器在3个时刻的柔性信号进行手语识别，识别出的结果分别为“iloveyou”和“hi，howyou”。

实施例3：

本实施例中以离子应变传感器及应用其的智能远程控制手套为例进行说明。

离子应变传感器中采用等离子体刻蚀法制备界面过渡层。

具体制备方法为：

将预处理的nafion膜用耐高温胶带固定在样品台上，将磁控溅射腔体抽真空，向腔体通入流量为8sccm的氩气，设置屏极电流40ma、屏极电压300v、刻蚀时间为360s，待预刻蚀60s后刻蚀样品；

待刻蚀结束用机械手柄翻转样品180°，刻蚀样品的另一面；

采用高真空磁控溅射法制备表面电极层，具体做法为：将氩气流速调至30sccm，真空压强调至1.0pa，设置磁控溅射的功率120w，时间参数32min，先预镀2min后开始银电极层的制备。

溅射结束，用机械手柄翻转样品180°，在样品的另一面完成银电极层的制备。

最后采用导电银浆加温固化方式将导线连接至传感器的上下表面，并利用派瑞林封装设备对薄膜器件表面封装pdms薄层，然后利用柔性硅胶将制备完成的传感器粘贴于手套手指关节及手腕部位。

本实施例中的柔性信号采集模块主要包括：微控制器、信号调理模块、a/d转换模块、蓝牙通讯模块以及电源管理模块。

运算调理模块包括：运算放大器、工频及倍频陷波器及低通滤波器，实现对传感信号的前置处理；运算放大器选用具有超低噪声放大器ad745，工频及倍频陷波器选用集成芯片lm9f0为核心器件，低通滤波器选用max7410芯片。

a/d转换芯片a/d转换芯片选用12位内有三态输出缓冲电路的逐次逼近型芯片ad574，通过arm嵌入式微控制器s3c4510b的控制，实现模拟信号-数字信号的转换。

蓝牙通讯芯片选用bluecore2-external芯片，通过arm嵌入式微控制器s3c4510b的控制，实现与移动端的无线数据通讯。

电源管理芯片选用adr4525芯片作为基准电压源，与稳压器芯片ams-1117共同为电路提供稳定纯净电源。

建立信号处理电路与仿人灵巧手的蓝牙无线通讯，人体穿戴上本实施例中的智能远程控制手套并完成抓握物体动作，柔性信号采集模块处理来自传感器的电压信号后，通过建立应变弯曲角度与响应电压信号之间的线性拟合关系，生成数据指令并远程控制仿人灵巧手实时做出高精度同等动作，实现复杂操作。智能远程控制手套将有望代替人手完成复杂、危险动作。

参图7a所示为一具体实施例中应变弯曲角度与响应电压信号之间的线性拟合，图7b为生成的远程控制信号变化图，通过5个离子应变传感器的远程控制信号变化，可以实现高精度同等动作。

由以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：

本发明创新性地采离子应变传感器读取力学应变信息，将纳米电极材料与聚电解质材料相结合，通过构筑快速响应的离子输运通道，具有无源检测、智能翻译、复杂形变高稳定性等特性；

将离子应变传感器与柔性信号采集模块结合，克服了柔性共形性差、准确性低等关键问题，实现复杂多维度方位识别与微弱信号高灵敏感知功能，具有低功耗、高分辨、高稳定、高空间响应性等特点，在复杂构型手语活动的识别、精细盲文的读取及智能机器手的远程控制等领域具有重要的应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。