CN109974907B - 一体化主动供电柔性压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种一体化主动供电柔性压力传感器，包括三明治结构的传感单元，以及与所述传感单元层叠设置、且用于为所述传感单元供电的动力单元，其中，所述动力单元为三明治结构的锌‑空气电池，包括相对设置的阳极和阴极，以及夹设在所述阴极和所述阳极之间的凝胶电解质，且所述阳极为柔性含锌电极，所述阴极为柔性空气电极；所述传感单元包括相对设置的负极和正极，以及夹设在所述正极和负极之间的导电纤维纸或导电编织布，且所述传感单元以所述动力单元的柔性含锌电极作为负极。一体化主动供电柔性压力传感器实现了动力单元和传感单元的一体化设计，可以应用于人体生理健康监测等实际应用。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种一体化主动供电柔性压力传感器。
背景技术
随着智能终端的快速普及，目前柔性可穿戴电子的研究应用已经体现在人类生活的很多方面，如电子皮肤、可穿戴生理监测装置、人机交互等。传感器作为核心部件之一，在人体健康监测、人工智能等方面发挥着至关重要的作用，也影响着可穿戴设备的功能设计与未来发展。作为一种具有良好变形性和稳定性的新兴电子产品，各种柔性和可穿戴传感器在全球医疗监控系统中迅速发展，其中包括植入式生物医学传感器、化学传感器、压力传感器等。在这些研究成果中，压力传感器作为一个重要的功能部件，有效地将外部刺激转换成电信号或其他可识别的信号输出，是柔性可穿戴电子传感器监测身体健康状况的关键技术。柔性传感单元与传输模块和自持续电源构成了柔性传感器系统。然而，值得注意的是，目前的动力单元成为了柔性传感器实现上述特性的最大限制之一，因为在当前的技术背景下，绝大多数传感器都需要外接电源驱动其运行，而且所用的电源系统多数为刚性电池，这会导致整个系统体积偏大，并极大地阻碍了其在可穿戴设备开发中的进一步应用。
基于大多数传感器需外接电源(刚性电池)驱动其运行，导致整体系统偏大，阻碍其在可穿戴应用中的轻薄化和便捷化的问题，自供电功能传感器引起了科研工作者的关注。用于健康监测和运动跟踪的许多类型自供电功能传感器已经被逐渐的开发，这为实时、无创地测量人体生理和运动信号提供了一个令人兴奋的机会。近年来，基于摩擦电和静电感应的摩擦纳米发电机已被证明是一种新兴的可再生能源技术。它能从外界机械刺激中获取电能，同时将产生的电信号作为传感信号。但值得注意的是，摩擦电纳米发电机传感器输出的电压较高，电流偏低，导致输出阻抗大，实际输出功率只有微瓦-毫瓦的级别，影响其作为电源的适用性；此外，摩擦电机制输出的交流电也是阻碍其实际应用的一个重要问题。
综上所述我们得知，在无需外接电源的情况下，实现柔性传感技术的静态压力监测仍然是一项挑战。
发明内容
本发明实施例提供了一种一体化主动供电柔性压力传感器，旨在解决现有的大部分传感器都需要外接电源驱动其运行，而现有电源多为刚性电池，导致整体系统体积偏大，极大地阻碍其在可穿戴应用中的轻薄化和便捷化的问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种一体化主动供电柔性压力传感器，所述一体化主动供电柔性压力传感器包括三明治结构的传感单元，以及与所述传感单元层叠设置、且用于为所述传感单元供电的动力单元，
其中，所述动力单元为三明治结构的锌-空气电池，包括相对设置的阳极和阴极，以及夹设在所述阴极和所述阳极之间的凝胶电解质，且所述阳极为柔性含锌电极，所述凝胶电解质选自氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶中的一种，所述阴极为柔性空气电极；
所述传感单元包括相对设置的负极和正极，以及夹设在所述正极和负极之间的导电纤维纸或导电编织布，且所述传感单元以所述动力单元的柔性含锌电极作为负极。
本发明提供的一体化主动供电柔性压力传感器，具有以下优点：
首先，采用锌-空气电池作为动力单元，同时以所述动力电源的柔性含锌电极作为传感单元的负极，且所述动力单元能够为所述传感单元供电。相对于现有传感器都处于动力与传感单元各自分离再结合的状态，本发明将动力电池单元和传感单元合二为一，实现了动力单元和传感单元的一体化设计，解决了外接电源驱动传感单元运行时，导致整体系统体积偏大，阻碍其在可穿戴应用中的轻薄化和便捷化的问题，从而使得柔性压力传感器可以应用于人体生理健康监测等实际应用。
其次，本发明提供的一体化主动供电柔性压力传感器的动力单元，以柔性含锌电极作为阳极，以氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶中的一种作为电解质，不仅赋予动力单元良好的柔韧性和稳定性；而且无腐蚀性，具有较好的生物相容性。更重要的是，由此得到的一体化主动供电柔性压力传感器具有较好的功率，在不需要外接电源的情况下，其自身产生的电能可为传感单元和无线信号传输的整体电路供电，即实现能量自给自足。以一体化主动供电柔性压力传感器的动力单元中厚度在0.5mm的动力单元(锌-空气电池，凝胶电解质为氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶)为例，其单位面积最大功率约40mW/cm2，可实现±180°的弯折。
此外，本发明提供的一体化主动供电柔性压力传感器，不仅体积小，独立便携，灵敏度高，而且整个一体化主动供电柔性压力传感器的各组成部件均具较好的柔性，从而能够实现小体积的无需外接电源的人体检测传感器的推广应用。特别的，在无需外接电源的状态下可实现人体生理健康监测等一系列静态压力检测应用，如人体脉搏检测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的压力传感部分结构原理示意图；
图2是本发明实施例提供的一体化主动供电柔性压力传感器结构示意图；
图3是本发明实施例1提供一体化主动供电柔性压力传感器动力单元的开路电压和短路电流图；
图4是本发明实施例1提供一体化主动供电柔性压力传感器动力单元的弯折测试结果图；
图5是本发明实施例1提供一体化主动供电柔性压力传感器动力单元的驱动电子表的效果图；
图6是本发明实施例1提供一体化主动供电柔性压力传感器动力单元的驱动LED的效果图；
图7是本发明实施例1提供一体化主动供电柔性压力传感器动力单元的单块电池通过升压模块驱动LED灯及任意弯折过程稳定性展示图；
图8是本发明实施例2提供一体化主动供电柔性压力传感器的分别用于人体腕部、颈部、脚背的脉搏跳动测试结果图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例提供了一种一体化主动供电柔性压力传感器，所述一体化主动供电柔性压力传感器包括三明治结构的传感单元，以及与所述传感单元层叠设置、且用于为所述传感单元供电的动力单元，
其中，所述动力单元为三明治结构的锌-空气电池，包括相对设置的阳极和阴极，以及夹设在所述阴极和所述阳极之间的凝胶电解质，且所述阳极为柔性含锌电极，所述凝胶电解质选自氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶中的一种，所述阴极为柔性空气电极；
所述传感单元包括相对设置的负极和正极，以及夹设在所述正极和负极之间的导电纤维纸或导电编织布，且所述传感单元以所述动力单元的柔性含锌电极作为负极。
本发明实施例提供的一体化主动供电柔性压力传感器，具有以下优点：
首先，采用锌-空气电池作为动力单元，同时以所述动力电源的柔性含锌电极作为传感单元的负极，且所述动力单元能够为所述传感单元供电。相对于现有传感器都处于动力与传感单元各自分离再结合的状态，本发明实施例将动力电池单元和传感单元合二为一，实现了动力单元和传感单元的一体化设计，解决了外接电源驱动传感单元运行时，导致整体系统体积偏大，阻碍其在可穿戴应用中的轻薄化和便捷化的问题，从而使得柔性压力传感器可以应用于人体生理健康监测等实际应用。
其次，本发明实施例提供的一体化主动供电柔性压力传感器的动力单元，以柔性含锌电极作为阳极，以氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶中的一种作为电解质，不仅赋予动力单元良好的柔韧性和稳定性；而且无腐蚀性，具有较好的生物相容性。更重要的是，由此得到的一体化主动供电柔性压力传感器具有较好的功率，在不需要外接电源的情况下，其自身产生的电能可为传感单元和无线信号传输的整体电路供电，即实现能量自给自足。以一体化主动供电柔性压力传感器的动力单元中厚度在0.5mm的动力单元(锌-空气电池，凝胶电解质为氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶)为例，其单位面积最大功率约40mW/cm2，可实现±180°的弯折。
此外，本发明实施例提供的一体化主动供电柔性压力传感器，不仅体积小，独立便携，灵敏度高，而且整个一体化主动供电柔性压力传感器的各组成部件均具较好的柔性，从而能够实现小体积的无需外接电源的人体检测传感器的推广应用。特别的，在无需外接电源的状态下可实现人体生理健康监测等一系列静态压力检测应用，如人体脉搏检测。
本发明实施例中，一体化主动供电柔性压力传感器包括一体化的动力单元和传感单元，所述动力单元呈三明治结构，且以中性的氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶中的一种作为电解质，不仅具有优异的柔性，能够满足人体柔性穿戴设备或传感器的使用要求，而且具有较好的电池功率，从而在保证生物相容性及柔性的同时，能够兼顾为传感单元和整体电路供电。
具体的，所述动力单元为锌-空气电池中，所述阳极为柔性含锌电极。具体的，所述柔性含锌电极选自锌箔、锌粉/导电碳纸、锌粉/导电布中的一种。其中，所述锌粉/导电碳纸表示在导电碳纸表面刮涂锌粉浆料形成的柔性含锌电极；所述锌粉/导电布表示在导电布上刮涂锌粉浆料形成的柔性含锌电极。在一些实施例中，所述阳极可选择厚度为0.03～0.08mm、特别是0.05mm的锌箔，从而赋予所述动力单元较好的柔性，同时，所述锌箔能够作为传感单元的负极使用。在一些实施例中，所述阳极可选择厚度为0.1～0.2mm、特别是0.2mm的锌粉/导电碳纸或锌粉/导电布，此时，得到的动力单元较好的功率，能够满足为传感单元和无线信号传输电路供电的需求；更重要的是，能够赋予所述动力单元更优异的柔性。
本发明实施例中，所述凝胶电解质为氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶中的一种，该水凝胶为中性电解质，具有高柔韧性和锁水性、对环境友好，且具有较好的生物相容性。特别的，本发明实施例采用的氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶中的一种，与柔性含锌电极和空气电极一起，配置的锌-空气电池，兼具较好的柔性、生物相容性和功率。
在一种实施方式中，所述凝胶电解质为氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶。所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，包括氯化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水。其中，所述氯化铵作为活性材料，能够溶解金属锌，从而发生活性反应。所述聚乙烯醇和所述聚乙二醇二丙烯酸酯共同作为水凝胶的基体材料，具有优异的锁水性能，而且赋予动力单元优异的柔性和较好的强度。特别的，由于所述聚乙烯醇的强度较弱，且聚乙烯醇通常采用冷冻技术制备，导致聚乙烯醇在冷冻过程中水分会蒸发，得到的水凝胶也较为粘稠，不容易成型，硬度差，且冷冻技术方法需要借助大型仪器，操作复杂繁琐。鉴于此，本发明实施例添加所述聚乙二醇二丙烯酸酯与聚乙烯醇，通过光固化即可制备获得，不仅工艺简单，省时便捷，而且可以在保证柔性的同时，显著提高聚乙烯醇的强度。
优选实施例中，所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，氯化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为10～25:5～10:15～25:100。若所述氯化铵的含量过高，则过多的氯化铵会呈固态析出，不便于锌离子在水凝胶中的移动，阻碍活性反应的进行；严重时，固态氯化铵会堵住空气电极，使空气电极失活。若所述氯化铵的含量过少，则动力单元的活性降低。若所述聚乙烯醇的含量过多，则得到的水凝胶过于粘稠，不容易成型；相反，若所述聚乙烯醇的含量过少，则不能有效锁水，从而阻碍了活性反应的发生。若所述聚乙二醇二丙烯酸酯的含量过多，则得到的水凝胶强度太大，脆性较强，对应的柔性差；而当所述聚乙二醇二丙烯酸酯的含量过少时，则水凝胶过于粘弹，不宜成型。
在此基础上，在最优选实施例中，所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，氯化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为20:10:20:100。此时，得到的动力单元不仅具有优异的柔性，生物相容性，还具有较好的功率，在不外加电源的前提下，实现对传感单元和蓝牙电路的无线数据传输供电。
在一些实施例中，所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物通过下述方法制备获得：按照上述各物质的重量比例将氯化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯溶于水中，得到粘稠状混合物；在所述粘稠状混合物中添加2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦作为光引发剂，在紫外光照射条件下反应，制备氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶。
在紫外光照射条件下，聚乙二醇二丙烯酸酯与2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦发生交联固化，形成强度更好的聚体物。其中，所述2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦的添加量为所述聚乙二醇二丙烯酸酯重量的1％～2％，从而避免2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦残留对氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶带来副作用。
在一种实施方式中，所述凝胶电解质为氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶。所述氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，包括氯化钾、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水。其中，所述氯化钾作为活性材料，能够溶解金属锌，从而发生活性反应。所述聚乙烯醇和所述聚乙二醇二丙烯酸酯共同作为水凝胶的基体材料，具有优异的锁水性能，而且赋予动力单元优异的柔性和较好的强度。特别的，由于所述聚乙烯醇的强度较弱，且聚乙烯醇通常采用冷冻技术制备，导致聚乙烯醇在冷冻过程中水分会蒸发，得到的水凝胶也较为粘稠，不容易成型，硬度差，且冷冻技术方法需要借助大型仪器，操作复杂繁琐。鉴于此，本发明实施例添加所述聚乙二醇二丙烯酸酯与聚乙烯醇，通过光固化即可制备获得，不仅工艺简单，省时便捷，而且可以在保证柔性的同时，显著提高聚乙烯醇的强度。
优选施例中，所述氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，氯化钾、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为10～25:5～10:15～25:100。若所述氯化钾的含量过高，则过多的氯化钾会呈固态析出，不便于锌离子在水凝胶中的移动，阻碍活性反应的进行；严重时，固态氯化铵会堵住空气电极，使空气电极失活。若所述氯化钾的含量过少，则动力单元的活性降低。若所述聚乙烯醇的含量过多，则得到的水凝胶过于粘稠，不容易成型；相反，若所述聚乙烯醇的含量过少，则不能有效锁水，从而阻碍了活性反应的发生。若所述聚乙二醇二丙烯酸酯的含量过多，则得到的水凝胶强度太大，脆性较强，对应的柔性差；而当所述聚乙二醇二丙烯酸酯的含量过少时，则水凝胶过于粘弹，不宜成型。
在此基础上，在最优选实施例中，所述氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，氯化钾、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为20:10:20:100。此时，得到的动力单元不仅具有优异的柔性，生物相容性，还具有较好的功率，在不外加电源的前提下，实现对传感单元和蓝牙电路的无线数据传输供电。
在一些实施例中，所述氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物通过下述方法制备获得：将氯化钾、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯溶于水中，得到粘稠状混合物；在所述粘稠状混合物中添加2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦作为光引发剂，在紫外光照射条件下反应，制备氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶。
在紫外光照射条件下，聚乙二醇二丙烯酸酯与2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦发生交联固化，形成强度更好的聚体物。其中，所述2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦的添加量为所述聚乙二醇二丙烯酸酯重量的1％～2％，从而避免2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦残留对氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶带来副作用。
在一种实施方式中，所述凝胶电解质为纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶。所述纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶中，包括氯化铵、聚乙烯醇、离子液体和水。其中，所述氯化铵作为活性材料，能够溶解金属锌，从而发生活性反应。所述聚乙烯醇共同作为水凝胶的基体材料，具有优异的锁水性能，而且赋予动力单元优异的柔性和较好的强度。使用离子液体作为凝胶电解质成分可以有效减少电解质液体的蒸发，提高电解质电导率，延长电池使用时间。由于以氯化铵、聚乙烯醇、离子液体和水作为活性主体的材料不能形成凝胶层，因此，本发明实施例采用柔性的纤维纸或编织布作为载体，通过浸渍或涂覆，使其表面覆载氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶，形成凝胶电解质层。
优选实施例中，所述纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶中，氯化铵、聚乙烯醇、离子液体和水的重量比为1～3:1～2:1～3:10。若所述氯化铵的含量过高，则过多的氯化铵会呈固态析出，不便于锌离子在水凝胶中的移动，阻碍活性反应的进行；严重时，固态氯化铵会堵住空气电极，使空气电极失活。若所述氯化铵的含量过少，则动力单元的活性降低。若所述聚乙烯醇的含量过多，得到的凝胶电解质电导率降低，增加电池内阻，使电性能降低；相反，若所述聚乙烯醇的含量过少，附着在载体表面的电解质含量变少，从而减少了活性反应的发生。若所述离子液体的含量过多，则得到的凝胶电解质黏度降低，容易漏液；而当所述离子液体的含量过少时，则离子在凝胶电解质内部流动性变差，阻碍了活性反应的发生。
在一些实施例中，所述纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶通过下述方法制备获得：提供氯化铵、聚乙烯醇、离子液体溶于水中形成凝胶，将所述纤维纸或编织布浸涂于离子凝胶中，制备离子凝胶电解质层。
在一种实施方式中，所述凝胶电解质为纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶。所述纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶中，包括氯化钾、聚乙烯醇、离子液体和水。其中，所述氯化钾作为活性材料，能够溶解金属锌，从而发生活性反应。所述聚乙烯醇共同作为水凝胶的基体材料，具有优异的锁水性能，而且赋予动力单元优异的柔性和较好的强度。使用离子液体作为凝胶电解质成分可以有效减少电解质液体的蒸发，提高电解质电导率，延长电池使用时间。由于以氯化钾、聚乙烯醇、离子液体和水作为活性主体的材料不能形成凝胶层，因此，本发明实施例采用柔性的纤维纸或编织布作为载体，通过浸渍或涂覆，使其表面覆载氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶，形成凝胶电解质层。
优选实施例中，所述纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶中，氯化钾、聚乙烯醇、离子液体和水的重量比为1～3:1～2:1～3:10。若所述氯化钾的含量过高，则过多的氯化钾会呈固态析出，不便于锌离子在水凝胶中的移动，阻碍活性反应的进行；严重时，固态氯化铵会堵住空气电极，使空气电极失活。若所述氯化钾的含量过少，则动力单元的活性降低。若所述聚乙烯醇的含量过多，得到的凝胶电解质电导率降低，增加电池内阻，使电性能降低；相反，若所述聚乙烯醇的含量过少，附着在载体表面的电解质含量变少，从而减少了活性反应的发生。若所述离子液体的含量过多，则得到的凝胶电解质黏度降低，容易漏液；而当所述离子液体的含量过少时，则离子在凝胶电解质内部流动性变差，阻碍了活性反应的发生。
在一些实施例中，所述纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶通过下述方法制备获得：提供氯化钾、聚乙烯醇、离子液体溶于水中形成凝胶，将所述纤维纸或编织布浸涂于离子凝胶中，制备离子凝胶电解质层。在上述实施例的基础上，所述凝胶电解质的厚度为0.2mm～0.4mm。若所述凝胶电解质的厚度过厚，导致电池内阻偏大，提供的电量会降低，但同时柔韧性也会下降，不利于得到柔性的一体化主动供电柔性压力传感器，更不便于在需要设置成小体积的人体生理健康监测等技术中应用。作为最佳实施例，所述凝胶电解质的厚度为0.3mm。
本发明实施例中，所述动力单元中，所述柔性空气电极选自银/导电碳纸电极、银/导电布电极、MnO2/导电碳纸电极、MnO2/导电布电极中的一种，所述空气电极中，金属或金属氧化物涂覆在导电碳纸或导电布上，且所述金属或金属氧化物邻近所述凝胶电解质设置。具体的，如所述银/导电碳纸电极包括导电碳纸，以及在所述导电碳纸上形成的银层，且所述银层邻近所述凝胶电解质设置。所述银/导电碳纸电极可以通过下述方法制备获得：提供透气导电碳纸，在所述透气导电碳纸表面刮涂银浆，干燥处理，即可获得。其他柔性空气电极可以参照银/导电碳纸电极的方法制备。所述柔性含锌电极选自锌箔、锌粉/导电碳纸、锌粉/导电布中的一种。所述锌粉/导电碳纸、锌粉/导电布中，锌粉形成在导电碳纸或导电布上，且所述锌粉邻近所述凝胶电解质设置。
所述柔性含锌电极、凝胶电解质和柔性空气电极组装成三明治结构，即可得到柔性的锌-空气电池，即一体化主动供电柔性压力传感器的动力单元。
为了形成具有柔性的动力单元，从而能够实现一体化主动供电柔性压力传感器，并能用于小体积的人体生理健康监测技术如人体脉搏检测装备中，所述动力单元的厚度为小于等于1mm。在具体实施例中，所述动力单元的厚度可以为0.5mm，此时，得到的一体化主动供电柔性压力传感器兼具较好的柔性和电化学性能，能够兼顾为传感单元和蓝牙电路的无线数据传输供电。
本发明实施例中，在所述动力单元基础上，一体化主动供电柔性压力传感器共用锌-空气电池的柔性含锌电极作为传感单元的负极，设计导电纤维纸基三明治结构的压力传感单元，形成一个具有五层结构的一体化主动供电柔性压力传感器。
具体的，所述传感单元中，所述导电纤维纸为覆载有导电材料的纤维纸，所述导电编织布为覆载有导电材料的编织布，且所述导电材料选自PEDOT：PSS、石墨烯、导电碳中的一种。其中，所述PEDOT：PSS具有较好的水溶性，容易吸附在纤维纸或编织布表面，得到导电性好且导电性能稳定的传感单元。采用该材料作为传感材料，具有较好的灵敏度，可以实现人体生理健康监测技术如人体脉搏检测。
作为一种实施方式，所述导电纤维纸的制备方法为：提供导电材料溶液和纤维纸，将所述纤维纸置于所述导电材料溶液中浸泡处理，得到导电纤维纸。作为一种实施方式，所述导电编织布的制备方法为：提供导电材料溶液和编织布，将所述编织布置于所述导电材料溶液中浸泡处理，得到导电编织布。
在一个具体实施例中，PEDOT：PSS导电纤维纸的制备方法为：提供纤维纸和PEDOT：PSS，将所述纤维纸置于所述PEDOT：PSS中浸泡处理，得到导电纤维纸。借助纤维纸自身带有的多孔结构，将纤维纸浸涂导电聚合物(PEDOT:PSS)的方法制备柔性压力传感材料，得到具有优异导电性和传感灵敏度的传感单元。
本发明实施例中，所述传感单元中，所述正极为含银电极。所述含银电极包括银/PET、银/导电布、银/编织布中的一种。所述银/PET、银/导电布、银/编织布中，银形成在PET或导电布上，且所述银邻近所述导电纤维纸或导电编织布设置。所述银电极可以以PET塑料膜作为衬底，通过在所述PET塑料膜上丝网印刷银浆制备获得。
最终，通过在动力单元的柔性含锌电极上依次组装导电纤维纸和银电极，获得具有五层结构、且一体化主动供电的柔性压力传感器。
在一个实施例中，以锌-空气电池作为动力单元为传感器供电，当传感器受到挤压时纤维纸内部的微观结构发生变化，导致器件输出的电信号发生改变，将压力与电信号的变化关系作为传感信号。具体的，压力传感部分结构原理示意图如图1所示。
进一步的，所述一体化主动供电柔性压力传感器还包括与所述传感器连接的无线信号输出单元，且所述动力单元为所述传感单元和所述无线信号输出单元供电。将无线信号传输系统与一体化主动供电柔性压力传感器集成为创可贴形式，实现真正自给自足独立的柔性传感器件，在使用时可以直接贴附在人体皮肤表面进行检测，并进行无线信号传输。具体的，可将柔性的一体化主动供电压力传感器与蓝牙无线信号传输系统集成，传感器自身的电能可以兼顾为传感单元和蓝牙电路的无线数据传输供电，在使用时可直接贴附在人体脉搏处检测脉搏跳动，并进行无线信号传输。
作为一个具体优选实施例，如图2所示，所述一体化主动供电柔性压力传感器包括层叠设置的三明治结构的动力单元和三明治结构的传感单元，还包括与所述传感器连接的无线信号输出单元，且所述动力单元为所述传感单元和所述无线信号输出单元供电，其中，
所述动力单元中，所述动力单元为锌-空气电池，包括相对设置的阳极和阴极，以及夹设在所述阴极和所述阳极之间的凝胶电解质，且所述阳极为柔性锌箔电极，所述凝胶电解质为氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶，所述阴极为柔性空气电极，所述空气电极为银/导电碳纸电极；所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，氯化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为10～25:5～10:15～25:100；所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶的厚度为0.25mm～0.35mm；且所述动力单元的厚度为0.5mm；
所述传感单元包括相对设置的负极和正极，以及夹设在所述正极和负极之间的导电纤维纸层，且所述传感单元以所述动力单元的柔性含锌电极作为负极，所述导电纤维纸为表面含有PEDOT：PSS的纤维纸；所述正极为银电极。
本发明实施例提供的上述实施例，建立在锌-空气电池的工作原理设计制作传感器件的动力单元，制备环境友好的基于光固化聚合物水凝胶中性电解质的三明治结构锌-空气电池，提出具有柔性兼生物相容性和高功率的动力单元。同时，通过以多孔结构的导电纤维纸作为传感材料，并建立在动力单元的基础上，共用锌-空气电池的柔性含锌电极，设计三明治结构传感部分，形成一个五层结构的一体化主动供电柔性压力传感器，通过器件自身动力部分供电工作。将无线信号传输电路与该一体化主动供电柔性压力传感器集成，形成便携的无线信号传输一体化主动供电柔性压力传感器检测系统，可以将其应用于人体生理健康监测，开展微型脉诊传感应用研究，实现对人体桡动脉的脉搏波生理参数实时监测，建立典型疾病与脉象特征指标的关系模型，用于实现中医远程诊疗和健康评估等实际应用。
相应的，本发明实施例还提供了一种基于上述一体化主动供电柔性压力传感器的压力传感器系统，包括用于感知压力变化的压力感应模块；用于将所述压力感应模块感知的压力变化信号转换为电信号输出的无线信号输出模块；以及用于给所述压力感应模块和所述无线信号输出模块供电的动力电池模块。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例1
一种一体化主动供电柔性压力传感器，包括层叠设置的三明治结构的动力单元和三明治结构的传感单元，还包括与所述传感器连接的无线信号输出单元，且所述动力单元为所述传感单元和所述无线信号输出单元供电，其中，
所述动力单元中，所述动力单元为锌-空气电池，包括相对设置的阳极和阴极，以及夹设在所述阴极和所述阳极之间的凝胶电解质，且所述阳极为柔性含锌电极，所述凝胶电解质为氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶，所述柔性空气电极为银/导电碳电极；所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，氯化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为20:10:20:100；所述动力单元的厚度为0.5mm；其中，所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物通过下述方法制备获得：按照上述各物质的重量比例将氯化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯溶于水中，得到粘稠状混合物；在所述粘稠状混合物中添加2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦作为光引发剂，在紫外光照射条件下反应，制备氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶。
所述传感单元包括相对设置的负极和正极，以及夹设在所述正极和负极之间的导电纤维纸层，且所述传感单元以所述动力单元的柔性含锌电极作为负极，所述导电纤维纸为表面含有PEDOT：PSS的纤维纸；所述正极为银电极。
将实施例1制备得到的一体化主动供电柔性压力传感器的动力单元进行性能测试，其开路电压和短路电流如图3所示，弯折测试结果如图4所示；驱动电子表如图5所示；驱动LED的结果如图6所示，单块电池通过升压模块驱动LED灯及任意弯折过程稳定性展示如图7所示。结果显示，一体化主动供电柔性压力传感器的动力单元-柔性锌-空气电池，具有良好的电性能，具体的，单位面积最大功率约40mW/cm2，具有可弯折±180°的柔韧性和较好的稳定性。
实施例2
将实施例1制备得到的一体化主动供电柔性压力传感器分别用于人体腕部、颈部、脚背的脉搏跳动测试，结果如图8所示。
由图可见，本发明实施例提供的一体化主动供电柔性压力传感器可以准确检测到人体不同部位的脉搏跳动。
实施例3
一种完全柔性的一体化主动供电压力传感器，包括层叠设置的三明治结构的动力单元和三明治结构的传感单元，还包括与所述传感器连接的无线信号输出单元，且所述动力单元为所述传感单元和所述无线信号输出单元供电，其中，
所述动力单元中，所述动力单元为锌-空气电池，包括相对设置的阳极和阴极，以及夹设在所述阴极和所述阳极之间的凝胶电解质，且所述阳极为锌粉/导电布电极，所述凝胶电解质层为编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶电解质，其中氯化铵、聚乙烯醇、离子液体、水的重量比为1～3:1～2:1～3:10；所述氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶电解质层的厚度为0.15mm～0.25mm；所述阴极为柔性空气电极，所述空气电极为银/导电布电极。
所述传感单元包括相对设置的负极和正极，以及夹设在所述正极和负极之间的导电编织布，且所述传感单元以所述动力单元的柔性含锌电极作为负极，所述导电编织布为表面含有PEDOT：PSS的编织布；所述正极为银/导电布电极。
将实施例3制备得到的一体化主动供电柔性压力传感器的动力单元进行性能测试，得到的电池开路电压约为1.1v，短路电流约为20mA，单位面积最大功率约20mW/cm2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种一体化主动供电柔性压力传感器，所述一体化主动供电柔性压力传感器包括三明治结构的传感单元，以及与所述传感单元层叠设置、且用于为所述传感单元供电的动力单元，其特征在于，
所述动力单元为三明治结构的锌-空气电池，包括相对设置的阳极和阴极，以及夹设在所述阴极和所述阳极之间的凝胶电解质，且所述阳极为柔性含锌电极，所述凝胶电解质选自氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶、纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶中的一种，所述阴极为柔性空气电极；
所述传感单元包括相对设置的负极和正极，以及夹设在所述正极和负极之间的导电纤维纸或导电编织布，且所述传感单元以所述动力单元的柔性含锌电极作为负极。
2.如权利要求1所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，氯化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为10～25:5～10:15～25:100；或
所述氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，氯化钾、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为10～25:5～10:15～25:100；或
所述纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶中，氯化铵、聚乙烯醇、离子液体和水的重量比为1～3:1～2:1～3:10；或
所述纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶中，氯化钾、聚乙烯醇、离子液体和水的重量比为1～3:1～2:1～3:10。
3.如权利要求2所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，氯化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为20:10:20:100；或
所述氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，氯化钾、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为20:10:20:100。
4.如权利要求1至3任一项所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述凝胶电解质的厚度为0.2mm～0.4mm。
5.如权利要求1所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物通过下述方法制备获得：将氯化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯溶于水中，得到粘稠状混合物；在所述粘稠状混合物中添加2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦作为光引发剂，在紫外光照射条件下反应，制备氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶；或
所述氯化钾/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物通过下述方法制备获得：将氯化钾、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯溶于水中，得到粘稠状混合物；在所述粘稠状混合物中添加2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦作为光引发剂，在紫外光照射条件下反应，制备氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶；或
所述纤维纸或编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶通过下述方法制备获得：提供氯化铵、聚乙烯醇、离子液体溶于水中形成凝胶，将所述纤维纸或编织布浸涂于离子凝胶中，制备离子凝胶电解质层；或
所述纤维纸或编织布覆载的氯化钾/聚乙烯醇/离子液体凝胶通过下述方法制备获得：提供氯化钾、聚乙烯醇、离子液体溶于水中形成凝胶，将所述纤维纸或编织布浸涂于离子凝胶中，制备离子凝胶电解质层。
6.如权利要求1所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述动力单元中，所述柔性含锌电极选自锌箔、锌粉/导电碳纸、锌粉/导电布中的一种；和/或
所述柔性空气电极选自银/导电碳纸电极、银/导电布电极、MnO2/导电碳纸电极、MnO2/导电布电极中的一种，所述空气电极中，金属或金属氧化物涂覆在导电碳纸或导电布上，且所述金属或金属氧化物邻近所述凝胶电解质设置。
7.如权利要求1所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述动力单元的厚度为小于等于1mm。
8.如权利要求1所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述传感单元中，所述导电纤维纸为覆载有导电材料的纤维纸，所述导电编织布为覆载有导电材料的编织布，且所述导电材料选自PEDOT：PSS、石墨烯、导电碳中的一种。
9.如权利要求8所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述导电纤维纸的制备方法为：提供导电材料溶液和纤维纸，将所述纤维纸置于所述导电材料溶液中浸泡处理，得到导电纤维纸；或
所述导电编织布的制备方法为：提供导电材料溶液和编织布，将所述编织布置于所述导电材料溶液中浸泡处理，得到导电编织布。
10.如权利要求1所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述传感单元中，所述正极为含银电极。
11.如权利要求1所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述一体化主动供电柔性压力传感器还包括与所述传感器连接的无线信号输出单元，且所述动力单元为所述传感单元和所述无线信号输出单元供电。
12.如权利要求1所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述一体化主动供电柔性压力传感器还包括与所述传感器连接的无线信号输出单元，且所述动力单元为所述传感单元和所述无线信号输出单元供电，其中，
所述动力单元中，所述空气电极为银/导电碳纸电极；所述阳极为锌箔电极；所述凝胶电解质为氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶，且所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶中，氯化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为10～25:5～10:15～25:100；所述氯化铵/聚乙烯醇/聚乙二醇二丙烯酸酯基聚合物水凝胶的厚度为0.25mm～0.35mm；且所述动力单元的厚度为0.5mm；
所述传感单元中，所述导电纤维纸为表面含有PEDOT：PSS的纤维纸；所述正极为银电极。
13.如权利要求1所述的一体化主动供电柔性压力传感器，其特征在于，所述一体化主动供电柔性压力传感器还包括与所述传感器连接的无线信号输出单元，且所述动力单元为所述传感单元和所述无线信号输出单元供电，其中，
所述动力单元中，所述空气电极为银/导电布电极；所述阳极为锌粉/导电布电极；所述凝胶电解质为编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶，且所述编织布覆载的氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶中，氯化铵、聚乙烯醇、离子液体、水的重量比为1～3:1～2:1～3:10；所述氯化铵/聚乙烯醇/离子液体凝胶电解质层的厚度为0.15mm～0.25mm；且所述动力单元的厚度为0.5mm；
所述传感单元中，所述导电编织布为表面含有PEDOT：PSS的编织布；所述正极为银/导电布电极。
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