本發(fā)明屬于柔性光電傳感器，涉及一種柔性自驅(qū)動(dòng)光-電耦合壓力可視化裝置及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、電致變色技術(shù)因其能夠通過(guò)電化學(xué)調(diào)控材料光學(xué)特性的能力，在智能窗、顯示器和可穿戴設(shè)備中展現(xiàn)出重要應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)電致變色器件普遍依賴外部電源驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致能耗高，并且為了避免線路雜亂散落，通常需要使用剛性ito基板，導(dǎo)致電致變色相關(guān)器件或裝置柔性受限，難以滿足下一代柔性電子設(shè)備對(duì)輕量化、低功耗和穿戴舒適性的需求。此外，現(xiàn)有電致變色相關(guān)器件或裝置采用剛性封裝結(jié)構(gòu)，在反復(fù)形變下易出現(xiàn)界面剝離或?qū)щ娦阅芩p，限制了其在動(dòng)態(tài)壓力傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

2、在壓力可視化領(lǐng)域，當(dāng)前主流技術(shù)依賴于高密度傳感器陣列與獨(dú)立顯示模塊的集成。例如，電容式或壓阻式傳感器需配合復(fù)雜的信號(hào)處理電路和像素化顯示屏，導(dǎo)致設(shè)備體積龐大、成本高昂，且難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)直觀的壓力分布反饋。此外，這些系統(tǒng)通常需要外部電源持續(xù)供電，進(jìn)一步限制了其在便攜式或自供電場(chǎng)景中的應(yīng)用。

3、因此，有必要提供一種柔性自驅(qū)動(dòng)光-電耦合壓力可視化裝置及其制備方法，實(shí)現(xiàn)裝置自驅(qū)動(dòng)、并提高裝置結(jié)構(gòu)緊湊性，同時(shí)可以直觀顯示壓力分布，從而推動(dòng)可穿戴電子、人機(jī)交互等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服背景技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)壓力敏感的離子遷移機(jī)制與雙模電致變色發(fā)光材料結(jié)合，實(shí)現(xiàn)裝置無(wú)需外部電源即可對(duì)壓力分布進(jìn)行直觀顯示，提高裝置結(jié)構(gòu)緊湊性，使裝置具備更優(yōu)異的使用性能，擴(kuò)展裝置適用場(chǎng)景。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明一方面提出了一種柔性自驅(qū)動(dòng)光-電耦合壓力可視化裝置，所述裝置包括襯底1、離子儲(chǔ)存層2、vhb封裝層3、雙模電致變色層5、液態(tài)金屬層6，所述襯底1之間從上至下依次設(shè)置離子儲(chǔ)存層2、vhb封裝層3、雙模電致變色層5、液態(tài)金屬層6，所述vhb封裝層3呈環(huán)形結(jié)構(gòu)，vhb封裝層3中間開(kāi)設(shè)空腔4，所述襯底1厚度為200-300μm，所述離子儲(chǔ)存層2厚度為1-2mm，所述vhb封裝層3厚度為2-3mm，所述雙模電致變色層5厚度為20-40μm，所述液態(tài)金屬層6厚度為50-100μm。

4、所述襯底1原料為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，所述離子儲(chǔ)存層2原料為聚丙烯酰胺和氯化鋰的混合凝膠，所述雙模電致變色層5原料為摻雜eu3+的wo3和銀納米線的混合物，所述液態(tài)金屬層6原料為銦基合金。

5、本發(fā)明另一方面提出了上述裝置的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

6、（1）通過(guò)物理粘合方式將聚丙烯酰胺和氯化鋰的混合凝膠與襯底（1）進(jìn)行粘接，構(gòu)成離子儲(chǔ)存層2。襯底1為pet襯底，可直接商業(yè)購(gòu)買獲得，聚丙烯酰胺和氯化鋰的混合凝膠本身具有較高粘性，可以直接與pet襯底粘接。

7、（2）通過(guò)物理粘貼方式將vhb封裝層3與離子儲(chǔ)存層2進(jìn)行粘接。vhb是一種雙面膠帶，由3m公司生產(chǎn)，由此，vhb分裝層3可以直接與離子儲(chǔ)存層2進(jìn)行粘貼結(jié)合。

8、（3）通過(guò)熱滾壓方式，在加熱狀態(tài)下，將液態(tài)金屬滾壓至襯底1上形成液態(tài)金屬層6，之后，保持加熱狀態(tài)，將摻雜eu3+的wo3和銀納米線的混合物薄膜滾壓至液態(tài)金屬層6上，形成雙模電致變色層5。在加熱狀態(tài)下，液態(tài)金屬具備流動(dòng)性，方便將其滾壓至襯底1上，而保持加熱狀態(tài)時(shí)，液態(tài)金屬仍舊具備液態(tài)特點(diǎn)，方便將摻雜eu3+的wo3和銀納米線的混合物薄膜滾壓至液態(tài)金屬層6上，完成后，進(jìn)行冷卻，液態(tài)金屬層6凝固，與襯底1、雙模電致變色層5形成良好結(jié)合。

9、（4）待所述步驟（3）中液態(tài)金屬層6冷卻后，通過(guò)物理粘貼方式將雙模電致變色層5與vhb封裝層3進(jìn)行粘接。

10、作為優(yōu)選，所述步驟（3）中，加熱溫度為75-85℃。

11、作為優(yōu)選，所述離子儲(chǔ)存層（2）的原料制備過(guò)程包括以下步驟：

12、s1：將2.17m丙烯酰胺單體粉末和5m氯化鋰溶解在水中，得到混合物溶液；

13、s2：向所述步驟s1中得到的溶液中加入交聯(lián)劑n,n'-亞甲基雙丙烯酰胺和引發(fā)劑過(guò)硫酸銨，隨后加入促進(jìn)劑四甲基乙二胺；

14、s3：將所述步驟s2的溶液裝入模具中，進(jìn)行加熱固化，得到聚丙烯酰胺和氯化鋰的混合凝膠。

15、作為優(yōu)選，所述步驟s2中，交聯(lián)劑加入量為丙烯酰胺單體質(zhì)量的0.06%，引發(fā)劑加入量為丙烯酰胺單體質(zhì)量的0.16%，促進(jìn)劑加入量為丙烯酰胺單體質(zhì)量的0.25%。

16、作為優(yōu)選，所述步驟s3中，加熱固化溫度為60℃，加熱固化時(shí)間為30min。

17、作為優(yōu)選，所述摻雜eu3+的wo3和銀納米線的混合物薄膜的制備過(guò)程包括以下步驟：

18、q1：將eu2o3加入熱硝酸中，反應(yīng)完成后，得到凝膠狀的eu(no3)3；

19、q2：將所述步驟q1中得到的eu(no3)3溶于乙醇中，將偏鎢酸銨水合物溶于水中，得到eu(no3)3溶液和偏鎢酸銨水合物溶液，并將eu(no3)3溶液、偏鎢酸銨水合物溶液進(jìn)行攪拌混合，反應(yīng)后，得到透明的eu3+摻雜wo3溶液，所述eu元素的物質(zhì)的量為wo3物質(zhì)的量的5%-10%。eu(no3)3、偏鎢酸銨水合物均需分別完全溶于乙醇和水中即可，eu(no3)3溶液、偏鎢酸銨水合物溶液各自的濃度幾乎不會(huì)對(duì)eu3+的wo3和銀納米線混合物薄膜性能產(chǎn)生影響。

20、q3：將所述步驟q2中得到的eu3+摻雜wo3溶液滴在玻璃板上，然后進(jìn)行燒結(jié)，得到eu3+摻雜wo3粉末。

21、q4：將所述步驟q3中得到的eu3+摻雜wo3粉末和銀納米線加入異丙醇中進(jìn)行攪拌混合，得到懸濁液，之后對(duì)懸濁液進(jìn)行抽濾，抽濾后，固體物質(zhì)留在濾紙上形成一層薄膜，對(duì)所述薄膜進(jìn)行干燥處理，得到摻雜eu3+的wo3和銀納米線混合物薄膜wo3@eu3+/ag?nws。此時(shí)，摻雜eu3+的wo3和銀納米線混合物薄膜是粘在濾紙上的，因此，在將將摻雜eu3+的wo3和銀納米線的混合物薄膜滾壓至液態(tài)金屬層6上后，需要把濾紙揭下。

22、作為優(yōu)選，所述步驟q1中，熱硝酸溫度為170-190℃。

23、作為優(yōu)選，所述步驟q3中，燒結(jié)溫度為450℃，燒結(jié)時(shí)間為5h。

24、作為優(yōu)選，所述步驟q4中，eu3+摻雜wo3粉末和銀納米線的質(zhì)量為eu3+摻雜wo3粉末：銀納米線=10:1，干燥溫度為60℃，干燥時(shí)間為2h。

25、本發(fā)明裝置受壓時(shí)，裝置頂層的襯底以及離子儲(chǔ)存層會(huì)變形并向下彎曲，從而將空腔中的空氣擠出，離子儲(chǔ)存層與雙模電致變色層接觸，此時(shí)，離子儲(chǔ)存層中的li+通過(guò)界面擴(kuò)散嵌入雙模電致變色層中，而雙模電致變色層中含有wo3，li+的嵌入引起w的價(jià)態(tài)變化（w6+→w5+），進(jìn)而改變wo3的電子能帶結(jié)構(gòu)，使wo3光吸收特性產(chǎn)生變化，從而雙模電致變色層產(chǎn)生顏色變化，實(shí)現(xiàn)壓力可視化，同時(shí)，銦基合金中的in由于標(biāo)準(zhǔn)電位較低（e°(in3+/in)=-0.34v），優(yōu)先氧化釋放電子（in→in3++3e?），驅(qū)動(dòng)li+嵌入wo3（li++e-+wo3→liwo3），從而實(shí)現(xiàn)裝置的自驅(qū)動(dòng)，無(wú)需外部電源即可對(duì)壓力產(chǎn)生響應(yīng)。

26、本發(fā)明的有益效果：

27、1.?本發(fā)明通過(guò)在雙模電致變色層與離子儲(chǔ)存層之間設(shè)置中間開(kāi)設(shè)空腔的vhb封裝層，利用空腔中容納的空氣對(duì)離子儲(chǔ)存層與雙模電致變色層進(jìn)行隔絕，一方面減少了裝置制備所需材料量，另一方面，氣體無(wú)實(shí)體結(jié)構(gòu)，幾乎不受裝置變形影響，不會(huì)由于裝置長(zhǎng)時(shí)間使用，反復(fù)變形而產(chǎn)生損耗，有助于降低裝置使用成本。

28、2.?本發(fā)明在離子儲(chǔ)存層與雙模電致變色層接觸時(shí)，通過(guò)液態(tài)金屬層進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而無(wú)需外部電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，有效提高裝置結(jié)構(gòu)緊湊性，簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)，同時(shí)隨著壓力變化，離子儲(chǔ)存層與雙模電致變色層的接觸面積會(huì)產(chǎn)生變化，雙模電致變色層的顏色會(huì)產(chǎn)生變化，從而對(duì)壓力變化進(jìn)行直觀顯示，無(wú)需其他專用顯示設(shè)備，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了裝置結(jié)構(gòu)。

29、3.?本發(fā)明通過(guò)摻雜eu3+，使得雙模電致變色層能夠被光激發(fā)產(chǎn)生較低能量的其他波段的光，從而為雙模電致變色層提供背光作用，強(qiáng)化壓力感應(yīng)顏色變化對(duì)比度，即使在較暗環(huán)境中，也可較為清楚地觀察到壓力變化響應(yīng)情況。

30、4.?本發(fā)明通過(guò)加熱交聯(lián)方式制備得到的licl-paam凝膠內(nèi)形成更加致密的結(jié)構(gòu)，paam-licl凝膠具有較優(yōu)異的導(dǎo)電性、抗壓性以及柔韌性。

31、5.?本發(fā)明通過(guò)在雙模電致變色層中加入ag?nws，將wo3@eu3+連接在一起，形成島橋結(jié)構(gòu)，有利于eu3+的wo3和銀納米線混合物成膜，同時(shí)有利于強(qiáng)化裝置穩(wěn)定性。

32、6.?本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊性高，各層均具有較好柔性，裝置整體具有較好柔性，無(wú)需外部電源驅(qū)動(dòng)，使用能耗低，使用方便，具有優(yōu)異的適用性。