《海藻酸钠薄膜柔性压力传感器制备及测试分析》2700字

海藻酸钠薄膜柔性压力传感器制备及测试分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u17740海藻酸钠薄膜柔性压力传感器制备及测试分析综述 1114101.1引言 1322901.2实验所需原料及实验设备仪器 1135011.2.1实验原料 127471.2.2实验设备仪器 2266931.3海藻酸钠薄膜柔性压力型传感器制备 226331.3.1海藻酸钠溶液的制备方法 2104381.3.2海藻酸钠薄膜的去泡与干燥 3251871.3.3压力传感器的制备 3200291.4表征测试 4309271.4.1拉伸 4179611.4.2AFM 4288201.4.3能谱分析 532931.5电化学性能测试 6114171.5.1CV测试 6230531.5.2EIS分析 6113691.6电学性能测试 71.1引言海藻酸钠（（C海藻酸钠自身能够吸收较多水分且其自身结构不会遭到破坏，分子结构中有-COOH和-OH官能团，微溶于水，易于与水分离，填补了纳米材料的不足。海藻酸钠水凝胶薄膜制备方法简单，在电子皮肤、生物制药等方面都有着巨大的潜力[11]。1.2实验所需原料及实验设备仪器1.2.1实验原料丙三醇500mL装（天津市风船化学试剂科技有限公司），海藻酸钠粉末100g装（上海阿拉丁股份有限公司），99.5%浓度乙酸500mL装（上海迈瑞尔化学科学技术有限公司）。1.2.2实验设备仪器实验设备与仪器如表2.1所示。表2.1实验设备仪器设备仪器名称型号厂商分析天平AUW120DUniBloc公司磁力搅拌机WH220-HTWIGGENS公司超声波清洗仪JP-080S成都海派环保科技有限公司真空干燥箱DZF-6050上海博讯实业有限公司压力测量仪M7-05美国MARK-10公司续表2.1设备仪器名称型号厂商数字控制台DC4060美国MRAK-10公司自动测试台ESM303美国MARK-10公司台式万用表2400美国KEITHLEY仪器公司1.3海藻酸钠薄膜柔性压力型传感器制备1.3.1海藻酸钠溶液的制备方法海藻酸钠溶液的制备方法：(1)在实验开始前先佩戴一次性活性炭口罩以及PE手套。(2)将100mL的去离子水和2mL的冰醋酸加入烧瓶，配置浓度为2%的乙酸溶液。(3)取出50mL烧杯，在其中加入20mL配置好的2%浓度乙酸水溶液，向烧杯中放入磁转子，置于磁力搅拌机上，设置温度50℃，转速220r/min进行预热搅拌。(4)用电子天平称取0.5g海藻酸钠粉末加入烧杯中。设置温度70℃，转速600r/min，使溶液搅拌约20分钟至透明。(5)溶液透明后，向烧杯中滴加少量甘油，保持温度转速不变，继续搅拌25分钟。(6)搅拌完毕，关闭搅拌机，取下烧杯，用镊子夹出磁转子，将海藻酸钠溶液倒入培养皿中。(7)将海藻酸钠溶液进行超声去气泡与高温干燥处理，得到薄膜待用。1.3.2海藻酸钠薄膜的去泡与干燥海藻酸钠薄膜的清洗与干燥步骤：(1)将制备好的海藻酸钠溶液放入超声清洗装置中，清洗时间为30分钟。(2)将超声清洗好的海藻酸钠溶液放入真空设备中抽去气泡。(3)可依据气泡清除程度，重复1~2次（1）（2）步骤，直至气泡被基本从溶液中除去。(4)将除去气泡的海藻酸钠溶液培养皿放入温控器中，设置温度为70℃，时间为5小时左右，直至溶液干燥成为海藻酸钠薄膜。(5)将海藻酸钠薄膜培养皿放入密封袋中，准备薄膜压力传感器的制备。1.3.3压力传感器的制备海藻酸钠薄膜柔性压力传感器的制备：(1)将制备好的海藻酸钠薄膜裁剪成相同大小的正方形薄膜。(2)在薄膜两面贴上铜箔电极作为正负极。(3)将正方形薄膜在海绵上密封固定起来，用木板作为基底。制得的柔性传感器如图2.1所示。图2.1海藻酸钠柔性压力传感器（图（a）为传感器模型，图（b）为压力传感器）1.4表征测试针对海藻酸钠薄膜主要进行拉伸、AFM、能谱分析表征测试。采用原子力显微镜(AFM)对其微观形貌特点进行表征。采用能谱分析(EDS)测试海藻酸钠的组成元素及其所对应的含量。采用拉伸机测试其断裂伸长率。1.4.1拉伸图2.2海藻酸钠应力-应变曲线图2.2是海藻酸钠通过拉伸测试得到的应力应变曲线图，对曲线结果进行处理得到其弹性模量、刚度、强度以及塑性等特性。可以看出海藻酸钠薄膜拥有较好的弹性和拉伸强度，保证了其作为柔性传感器原料的可伸缩性和可折叠性。1.4.2AFM图2.3海藻酸钠的AFM图图2.3是海藻酸钠通过原子力显微镜扫描得到的AFM扫描图，可以从图中看出其表面无大孔隙结构（孔隙结构大小都在纳米级别），薄膜表面相对较光滑。其微观结构为传感器的压力传输与电荷传输提供了基础，保证了其稳定的电学性能。1.4.3能谱分析图2.4海藻酸钠的能谱分析结果图图2.4是海藻酸钠的能谱分析结果，主要对海藻酸钠所含的元素种类以及其所对应的大致含量进行测定。EDS测试为半定量定性分析，其测量结果与实际海藻酸钠所含元素的种类及含量比例有一定误差。测试中碳、氧、钠元素的存在，可以证明海藻酸钠自身的存在。1.5电化学性能测试1.5.1CV测试图2.5海藻酸钠的CV曲线图图2.5是海藻酸钠在不同扫速下得到的CV测试曲线图，电势窗口为-0.5V至0.5V。可以通过公式对CV曲线面积进行计算，得到海藻酸钠相应的比电容值。比电容值计算公式如公式（2.1）所示。(2.1)式中，s为表面积，r为电压扫描速率，∆V为电势变化量，V0为整个循环过程中的最低电压。利用公式计算出海藻酸钠薄膜在扫速为50mV·S-1、100mV·S-1、200mV·S-1、300mV·S-1时对应的比电容值，结果如表2.2所示。表2.2特定扫速下海藻酸钠薄膜的比电容值扫描速率(mVS-1)50100200300C(mF/cm2)36.81519.63311.0027.741由结果可知，随着扫速的增加，海藻酸钠薄膜的比电容值呈现持续下降的趋势，即扫描速率越大，海藻酸钠薄膜的比电容值越小。不同扫速下，海藻酸钠稳定的CV曲线测试图表明了其较为稳定的电学性能[12]。1.5.2EIS分析图2.6海藻酸钠薄膜在105Hz~10-2Hz的EIS曲线图2.6是海藻酸钠薄膜在105Hz~10-2Hz范围内测试得到的EIS曲线，通过分析EIS曲线，根据公式（2.2）、（2.3）计算得出等效电路的4个参数（Re、Rct、Cdl、σ）。其中ω为最高点的角频率，L为测试胶体层厚度，A为测试胶体表面积。 (2.2) (2.3)表2.3等效电路参数值胶体薄膜参数Re[Ω]Rct[Ω]Cdl[mF]σ[mS/cm]数值9.47575.2110.0980.223 计算结果如表2.3所示，可知等效电路内阻Re较小，利于内部离子的运动，电解液内部离子运动时受到的阻力较小。1.6电学性能测试因为在后续应用中柔性传感器的电阻是一个较为关键的参数，所以2.6章节测试了海藻酸钠薄膜的电阻-压力转移特性，并计算其灵敏度，结果如图2.7所示。图2.7海藻酸钠薄膜电阻-压力转移特性图其灵敏度根据公式（1.3）得到结果为0.0059。通过对制备海藻酸钠薄膜柔性传感器的详细流程介绍以及对海藻酸钠薄膜的表征分析、电化学特性分析、电学特性分析，对海藻酸钠薄膜的性质（尤其是电学性质）有了较为详尽的研究结果。具体利用了拉伸、AFM、EDS能谱分析等表征对海藻酸钠的机械强度、微观形貌以及其所含元素种类与大致含量进行了分析。同时还用CV测试、EIS分析手段来探究海藻酸钠薄膜的