一种柔性温度传感器及其制备方法

1.本发明涉及柔性温度传感器技术领域，尤其是一种柔性温度传感器及其制备方法。


背景技术：

2.温度反映被测物体和周围环境状态的最基本物理参数，表征着物体的冷热程度，与物质的性质、状态等有着密不可分的关系，对温度的测量、监测在冶金、石油、化工、农业生产、医疗、航空航天等领域有着十分重要的意义，在保证产品质量、提高生产效率、节约能源、确保安全生产等方面具有不可替代的作用。虽然已有如热电偶、热电阻和热敏电阻传感器等通过某些物理变化来实现温度检测的传感装置，并有着广泛的应用领域，但由于他们的温敏元件采用如陶瓷、金属等刚性材料作为衬底，存在灵活性差、质量重、无法对弯曲表面测温等问题，难以满足如今复杂的应用场景。因此，柔性温度传感器成为了国内外的研究热点之一。
3.目前，常用的柔性温度传感材料主要包括液态金属、金属纳米线、碳纳米管、石墨烯等；在柔性温度传感器的关键制备技术上，常采用图案化、转印等技术等；因此存在制备成本高、重复性差等缺点。
4.此外，现有的柔性传感器器件尺寸较大，不利于微小和复杂环境的温度监测。
5.性能方面，由单一材料构成的温敏器件往往存在灵敏度低、探温范围窄等问题；由多种材料复合而成的温敏材料虽然可以在一定程度上提高传感器的灵敏度，但该类传感器往往由于温敏复合材料的导电交联网络的不稳定造成导电通路的阻断，造成灵敏度和稳定性下降。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提供一种柔性温度传感器及其制备方法。
7.本发明的技术方案为：一种柔性温度传感器，包括下层柔性基板、两电极、温敏导电复合薄膜层、中层绝缘层和上层柔性封装层；所述的中层绝缘层固定于下层柔性基板上，所述的上层柔性封装层设置在中层绝缘层上；且所述的中层绝缘层一端具有一开孔，所述的开孔与下层柔性基板围设成凹槽结构；两所述的电极固定于下层柔性基板上，并位于中层绝缘层开孔的两端；所述的温敏导电复合薄膜层涂覆于两电极之间的下层柔性基板的凹槽结构内，并且所述的温敏导电复合薄膜层还分别与两电极连接。
8.作为优选的，所述的两电极采用金属材料或碳粉材料制成，并采用纳米压印或者丝网印刷的方式固定于下层柔性基板之上。
9.作为优选的，所述的下层柔性基板和中层绝缘层采用聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成。
10.作为优选的，所述的上层柔性封装层采用聚酰亚胺制成。
11.作为优选的，所述的下层柔性基板的厚度为0.07～0.235mm。
12.作为优选的，所述的中层绝缘层的厚度为0.07～0.235mm，
13.作为优选的，所述的上层柔性封装层的厚度为0.025～0.3mm。
14.作为优选的，本发明还提供一种柔性温度传感器的制备方法，包括以下步骤：
15.s1)、采用乙醇及水在超声模式下对下层柔性基板、中层绝缘层和柔性封装层材料进行清洗，并烘干，并将中层绝缘层进行开孔处理；
16.s2)、将两电极通过纳米压印或者丝网印刷的方法固定于下层柔性基板和预开孔的中层绝缘层之间；
17.s3)、制备温敏导电复合薄膜，并将其涂覆与中层绝缘层的开孔与下层柔性基板围设成的凹槽结构内；
18.s4)、在温敏导电复合薄膜层与中层绝缘层上方压制一层上册柔性封装层。
19.作为优选的，所述的两电极采用金属材料或碳粉材料，配以易挥发浆料作为粘连材料制成，并采用纳米压印或者丝网印刷的方式固定于下层柔性基板之上。
20.作为优选的，所述的温敏导电复合薄膜采用多孔碳与聚合物作为温敏材料制成。
21.作为优选的，所述的温敏导电复合薄膜的制备如下：
22.s31)、将多孔碳、聚合物、溶剂和分散剂按照质量比为1:2:0.1～1:8:0.1在烧杯中进行混合，并将混合液置于磁力搅拌器上搅拌2～4h，温度为20～30℃，随后将混合液置于真空脱泡机中脱泡5～10min，获得粘性多孔碳基温敏浆料；
23.s32)、将多孔碳基温敏浆料均匀地涂敷于预开孔的中层绝缘层和下层柔性基板围设成的凹槽内，并覆盖住两电极，随后置于真空干燥箱中，在200℃下干燥0.5h，得到多孔碳基温敏导电复合薄膜。
24.作为优选的，步骤s31)中，所述的多孔碳为包括生物基、木质素基、含炔基、石墨烯基和金属-有机骨架及其衍生的微孔碳、介孔碳、大孔碳及多层孔碳中的一种或多种的组合；
25.所述的聚合物为包括环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯酸树脂、聚乙烯醇缩醛树脂、聚酰亚胺树脂中的一种或多种的组合；
26.所述的溶剂为包括芳香烃类、脂肪烃类、脂肪烃类、酯类、酮类的有机溶剂中的至少任意一种，所述的分散剂为包括脂肪酸类、脂肪族酰胺类、低分子聚合物蜡类中的一种或多种的组合。
27.作为优选的，步骤s31)中，所述的多孔碳是掺入杂质离子的碳材料，所述的掺入杂质离子是指杂质离子不可避免地带入到材料中，或者还经过了额外的掺杂处理更多地掺入到材料中。
28.作为优选的，步骤s32)中，所述的多孔碳基温敏浆料的涂敷方法包括滴涂、刮涂、喷墨打印、电流体喷印、掩膜涂敷、丝网印刷中的任意一种。
29.作为优选的，步骤s32)中，所述的温敏导电复合薄膜的阻值呈负温度系数特性，其两端之间的电阻值会随着温度升高而下降。所述的温敏导电复合薄膜中均匀分布的杂质离子在室温下会电离形成正电中心或者负电中心，在杂质离子附近会产生局域电场，从而使得载流子经过杂质中心附近会受到库伦引力或斥力的作用，其运动方向和速度将发生变化，这个过程称为杂质散射。该杂质散射会受到温度的影响，随着温度升高，杂质散射作用会减弱，载流子的迁移率会随之增加，宏观表现为温敏导电复合薄膜的电阻减小，而且与温
度的变化趋势呈负相关。
30.本发明的有益效果为：
31.1、本发明的温敏导电复合薄膜采用多孔碳与聚合物作为温敏导电材料，其制备工艺简单，利用离子掺杂和高温碳化的方法制备多孔碳，无需在其表面修饰其他材料，即可实现温度传感特性，避免修饰材料的均匀性对温度测量精度的限制；
32.2、本发明的多孔碳制备成本低、比表面积大、三维交联结构可以与聚合物吸附形成良好的导电网络，从而增加柔性传感器电阻温度变化率，提高柔性传感器对温度变化的敏感度；
33.3、本发明的柔性温度传感器的温敏元件的形状与尺寸根据开孔确定，可实现图案化与制备微型传感器；本发明的柔性温度传感器的温度检测范围较广，可用于检测-270℃～100℃。
附图说明
34.图1为本发明的柔性温度传感器的结构示意图；
35.图2为本发明的柔性温度传感器的侧视图；
36.图3为本发明方法的流程图；
37.图4为本发明温敏导电薄膜的sem图；
38.图5为本发明的柔性温度传感器的温度响应范围曲线图；
39.图6为本发明的柔性温度传感器在常温到超低温(26℃～-196℃)的响应时间曲线图；
40.图中，1
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温敏导电薄膜层；2
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下层柔性基板；3
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连接点；4-电极；5
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中层绝缘层；6
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开孔；7-金属片；8-上层柔性封装层。
具体实施方式
41.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
42.实施例1
43.如图1和2所示，本实施例提供一种柔性温度传感器，包括下层柔性基板2、两电极4、温敏导电复合薄膜层1、中层绝缘层5和上层柔性封装层8；所述的中层绝缘层5固定于下层柔性基板2上，所述的上层柔性封装层8设置在中层绝缘层5上；且所述的中层绝缘层5一端具有一开孔6，所述的开孔6与下层柔性基板2围设成凹槽结构；两所述的电极4固定于下层柔性基板2上，并位于中层绝缘层5开孔6的两端；所述的温敏导电复合薄膜层1涂覆于两电极4之间的下层柔性基板2的凹槽结构内，并且所述的温敏导电复合薄膜层1与两电极4形成良好接触的连接点3；使得所述的温敏导电复合薄膜层1分别与两电极4连接。两所述的电极4一端具有金属片7。
44.作为本实施例优选的，所述的两电极4采用金属材料或碳粉材料制成，入铜片或铜线；并采用纳米压印或者丝网印刷的方式固定于下层柔性基板2之上。
45.作为本实施例优选的，所述的下层柔性基板2和中层绝缘层5采用聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成。
46.作为本实施例优选的，所述的上层柔性封装层8采用聚酰亚胺制成。
47.作为本实施例优选的，所述的下层柔性基板2的厚度为0.07～0.235mm。
48.作为本实施例优选的，所述的中层绝缘层5的厚度为0.07～0.235mm，
49.作为本实施例优选的，所述的上层柔性封装层8的厚度为0.025～0.3mm。
50.实施例2
51.如图3所示，本实施例提供一种柔性温度传感器的制备方法，包括以下步骤：
52.s1)、采用乙醇及水在超声模式下对下层柔性基板2、中层绝缘层5和上层柔性封装层8材料进行清洗5min，并烘干，并将中层绝缘层5进行开孔6处理；
53.s2)、将两电极4通过纳米压印或者丝网印刷的方法固定于下层柔性基板2和预开孔6的中层绝缘层5之间；
54.s3)、制备温敏导电复合薄膜，并将其涂覆与中层绝缘层5的开孔6与下层柔性基板2围设成的凹槽结构内；
55.s4)、在温敏导电复合薄膜层1与中层绝缘层5上方压制一层上层柔性封装层8。
56.传感器器件完成之后，需进行封装测试工作，加工的器件可应用于不规则表面温度检测特定场景。将该柔性温度传感器置于变温台上，测试其温度响应范围曲线。请参阅图5，其为本发明的柔性温度传感器的温度响应范围曲线图，由该图可知，本发明的柔性传感器属于负温度系数型，其电阻随温度上升而下降。另外，本发明的柔性温度传感器可用于检测
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170℃～30℃范围内的温度，这展示了本发明的柔性温度传感器的温度检测范围较广。本发明在常温到超低温(26℃～-196℃)的响应时间曲线图可参见图6所示。本发明的柔性温度传感器由常温到超低温(26℃～-196℃)的响应时间仅需～1.5s(响应时间指传感器接触被测物体时，电阻由初始值达到电阻变化值的90％)，这展示了本发明的柔性温度传感器具有快速的温度响应速度与高的灵敏度。
57.作为本实施例优选的，所述的两电极4采用金属材料或碳粉材料，配以易挥发浆料作为粘连材料制成，并采用纳米压印或者丝网印刷的方式固定于下层柔性基板2之上。
58.作为本实施例优选的，所述的温敏导电复合薄膜的制备如下：
59.s31)、多孔碳zif-8与聚合物、分散剂按1：6：0.1的比例在烧杯中进行混合制备混合液；并将混合液置于磁力搅拌器上搅拌4h，温度为26℃，随后将混合液置于真空脱泡机中脱泡5min，获得粘性多孔碳基温敏浆料；
60.s32)、将多孔碳基温敏浆料均匀地涂敷于预开孔6的中层绝缘层5和下层柔性基板2围设成的凹槽内，并覆盖住两电极4，随后置于真空干燥箱中，在200℃下干燥0.5h，以挥发部分浆料的粘连材料；得到多孔碳基温敏导电复合薄膜。本实施例制备的多孔碳基温敏导电复合薄膜的sem图可参见图4所示，从图中可以看出。多孔碳zif-8纳米颗粒因其比表面积大、三维交联结构与聚合物紧密吸附，形成了良好的导电网络，从而增加柔性传感器电阻温度变化率。
61.上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种柔性温度传感器，其特征在于：包括下层柔性基板(2)、两电极(4)、温敏导电复合薄膜层(1)、中层绝缘层(5)和上层柔性封装层(8)；所述的中层绝缘层(5)固定于下层柔性基板(2)上，所述的上层柔性封装层(8)设置在中层绝缘层(5)上；且所述的中层绝缘层(5)一端具有一开孔(6)，所述的开孔(6)与下层柔性基板(2)围设成凹槽结构；两所述的电极(4)固定于下层柔性基板(2)上，并位于中层绝缘层(5)开孔(6)的两端；所述的温敏导电复合薄膜层(1)涂覆于两电极(4)之间的下层柔性基板(2)的凹槽结构内，并且所述的温敏导电复合薄膜层(1)还分别与两电极(4)连接。2.根据权利要求1所述的一种柔性温度传感器，其特征在于：所述的下层柔性基板(2)的厚度为0.07～0.235mm；所述的中层绝缘层(5)的厚度为0.07～0.235mm；所述的上层柔性封装层(8)的厚度为0.025～0.3mm。3.一种柔性温度传感器的制备方法，其特征在于：所述的方法用于制备权利要求1-2任一项所述的柔性温度传感器，包括以下步骤：s1)、采用乙醇及水在超声模式下对下层柔性基板(2)、中层绝缘层(5)和上层柔性封装层(8)材料进行清洗，并烘干，并将中层绝缘层(5)进行开孔(6)处理；s2)、将两电极(4)通过纳米压印或者丝网印刷的方法固定于下层柔性基板(2)和预开孔(6)的中层绝缘层(5)之间；s3)、制备温敏导电复合薄膜，并将其涂覆与中层绝缘层(5)的开孔(6)与下层柔性基板(2)围设成的凹槽结构内；s4)、在温敏导电复合薄膜层(1)与中层绝缘层(5)上方压制一层上层柔性封装层(8)。4.根据权利要求3所述的一种柔性温度传感器的制备方法，其特征在于：所述的两电极(4)采用金属材料或碳粉材料，配以易挥发浆料作为粘连材料制成，并采用纳米压印或者丝网印刷的方式固定于下层柔性基板(2)之上。5.根据权利要求3所述的一种柔性温度传感器的制备方法，其特征在于：所述的下层柔性基板(2)和中层绝缘层(5)采用聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成；所述的上层柔性封装层(8)采用聚酰亚胺制成。6.根据权利要求3所述的一种柔性温度传感器的制备方法，其特征在于：所述的温敏导电复合薄膜采用多孔碳与聚合物作为温敏材料制成。7.根据权利要求6所述的一种柔性温度传感器的制备方法，其特征在于：所述的温敏导电复合薄膜的制备如下：s31)、将多孔碳、聚合物、溶剂和分散剂按照质量比为1:2:0.1～1:8:0.1在烧杯中进行混合，并将混合液置于磁力搅拌器上搅拌2～4h，温度为20～30℃，随后将混合液置于真空脱泡机中脱泡5～10min，获得粘性多孔碳基温敏浆料；s32)、将多孔碳基温敏浆料均匀地涂敷于预开孔(6)的中层绝缘层(5)和下层柔性基板(2)围设成的凹槽内，并覆盖住两电极(4)，随后置于真空干燥箱中，在200℃下干燥0.5h，得到多孔碳基温敏导电复合薄膜；所述的温敏导电复合薄膜的阻值呈负温度系数特性，其两端之间的电阻值会随着温度升高而下降。8.根据权利要求7所述的一种柔性温度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s31)中，所述的多孔碳为包括生物基、木质素基、含炔基、石墨烯基和金属-有机骨架及其衍生的微孔碳、介孔碳、大孔碳及多层孔碳中的一种或多种的组合；
所述的聚合物为包括环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯酸树脂、聚乙烯醇缩醛树脂、聚酰亚胺树脂中的一种或多种的组合；所述的溶剂为包括芳香烃类、脂肪烃类、脂肪烃类、酯类、酮类的有机溶剂中的至少任意一种，所述的分散剂为包括脂肪酸类、脂肪族酰胺类、低分子聚合物蜡类中的一种或多种的组合。9.根据权利要求8所述的一种柔性温度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s31)中，所述的多孔碳是掺入杂质离子的碳材料，所述的掺入杂质离子是指杂质离子不可避免地带入到材料中，或者还经过了额外的掺杂处理更多地掺入到材料中。10.根据权利要求7所述的一种柔性温度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s32)中，所述的多孔碳基温敏浆料的涂敷方法包括滴涂、刮涂、喷墨打印、电流体喷印、掩膜涂敷、丝网印刷中的任意一种。

技术总结
本发明提供一种柔性温度传感器及其制备方法，传感器包括下层柔性基板、两电极、温敏导电复合薄膜层、中层绝缘层和上层柔性封装层；中层绝缘层固定于下层柔性基板上，所述的上层柔性封装层设置在中层绝缘层上；所述的中层绝缘层一端具有一开孔，所述的开孔与下层柔性基板围设成凹槽结构；两所述的电极固定于下层柔性基板上，并位于中层绝缘层开孔的两端；所述的温敏导电复合薄膜层涂覆于两电极之间的下层柔性基板的凹槽结构内，并且温敏导电复合薄膜层还分别与两电极连接。本发明的柔性温度传感器的温度检测范围较广；具有制备简单、成本低、尺寸和形状可任意变化、灵敏度高、稳定性和重复性好的优点。重复性好的优点。重复性好的优点。


技术研发人员：詹云凤 陈学敏 吴洁鑫 郑东泽 林芷晴 林聪 黄永升 邝淼 唐秀凤 罗坚义 温锦秀 关雄聪
受保护的技术使用者：五邑大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/8/21