可实现水下监测和深度预警的水下传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种可实现水下深度感知监测和深度预警的水下传感器，至少包括自支撑结构导电层和支撑结构导电层；所述自支撑结构导电层和所述支撑结构导电层进行平行组装后防水密封封装，形成具有自支撑

【技术实现步骤摘要】
可实现水下监测和深度预警的水下传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及传感器
，尤其涉及一种可实现水下深度感知监测和深度预警的水下传感器及其制备方法和应用，具体地，是一种兼具水深感知和预警的双模态的水下传感器。

技术介绍

[0002]动态检测流体运动状态以及实时感知水下信号变化对于水下勘测、洪灾预警等多种水下工作具有不可或缺的意义。然而，现有的水下检测设备依然存在功能单一、探测灵敏度低等一系列问题。例如中国专利技术专利CN102884451A所开发的水下传感器装置，只能用于监测和收集水下信息，若需要传递信息仍需集成其他器件。现有技术中非集成性的水下传感器的功能因制备技术、成本造价、信息处理等因素而导致使用受限。
[0003]另一方面，不同于现有的基于光学传感、声学传感的探测器，碳基导电材料具有更高的检测灵敏度以及更低的制造成本，例如，中国专利技术专利CN113063995A公开的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，导电聚合物膜均匀地覆盖在所述碳基材料的表面，构成碳基导电聚合物膜电极，能够显著提高水下电场传感器的灵敏度以及稳定性，降低制备成本，且能够有效地用于于海洋或河流水域中低频微弱电场信号的测量。
[0004]因此，基于碳基导电材料，开发一种兼具水深检测与预警功能的水下传感器对于水文勘测的发展具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种可实现水下监测和深度预警的双模态水下传感器及其制备方法和应用，具有灵敏度高、操作难度小、制备成本低等优点，不仅可实时检测水面及水下运动信息，还具有深度预警的功能，可满足水下勘测、洪灾预警等多种水下工作的需要。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案。
[0007]本专利技术提供了一种可实现水下深度感知监测和深度预警的水下传感器，至少包括自支撑结构导电层和支撑结构导电层；所述自支撑结构导电层和所述支撑结构导电层进行平行组装后防水密封封装，形成具有自支撑
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支撑双层结构的水下传感器；所述自支撑结构导电层中的自支撑结构可在外力驱动下发生三维形变；所述自支撑结构与所述支撑结构导电层中的支撑结构组合作用实现张力传感与压力传感的可逆转换。
[0008]三维形变产生的原因在于自支撑薄膜是柔性的，可以各个方向同时发生形变。在自支撑结构层与支撑结构层接触前是张力传感，电阻是由于自支撑薄膜发生张力形变而产生变化；而接触之后是压力传感，此时电阻是由于上下两导电层挤压而变化的。
[0009]优选地，所述平行组装包括所述自支撑结构导电层和所述支撑结构导电层之间具有间距，平均间距为1～4mm。
[0010]优选地，所述自支撑结构导电层通过Janus导电薄膜转移到镂空基底的表面形成；所述支撑结构导电层通过所述Janus导电薄膜转移到非镂空基底的表面形成。
[0011]优选地，所述镂空基底和/或所述非镂空基底的材料相同，包括塑料培养皿、玻璃片、硅片中的任意一种。
[0012]优选地，所述Janus导电薄膜包括弹性体层/导电层的双层结构的复合薄膜。
[0013]优选地，所述弹性体层和所述导电层经弱范德华相互作用形成具有弱界面强度的Janus复合薄膜的双层结构。
[0014]优选地，所述导电层的材质为碳基导电材料，经水
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空界面自组装行为组装而成；
[0015]优选地，所述弹性体层包括将弹性前驱体分散液涂布在所述导电层的表面，所述弹性前驱体与所述导电层的材料进行物理半包裹。
[0016]优选地，所述导电层的材质包括碳纳米管、石墨烯、富勒烯等中的任意一种或两种以上的组合。
[0017]优选地，所述弹性前驱体分散液包括将弹性前驱体分散在有机溶剂中，超声分散制备得到。
[0018]优选地，所述弹性前驱体包括脂肪族芳香族无规共聚酯和/或聚二甲基硅氧烷。其中，脂肪族芳香族共聚酯是美国Smooth
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On公司制造的铂金固化有机硅胶(Ecoflex
TM
)。
[0019]优选地，所述有机溶剂包括正庚烷、正己烷、甲苯、丙酮中的任意一种或两种以上的组合。
[0020]优选地，所述弹性前驱体分散液中，所述弹性体前驱体的含量为0.05～0.12g/mL。
[0021]为实现另一个目的，本专利技术还提供了制备上述水下传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0022](1)在水
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空界面通过导电原料自组装行为形成导电层；
[0023](2)在导电层表面涂覆弹性前驱分散液，固化后得到Janus导电薄膜；
[0024](3)分别将所述Janus导电薄膜转移到镂空基底表面和非镂空基底表面，形成自支撑导电层和支撑导电层；
[0025](4)将所述自支撑导电层与所述支撑导电层平行组装后防水密封封装，得到具有自支撑
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支撑双层结构的水下传感器。
[0026]优选地，步骤(1)在，所述导电层的厚度为0.1～30μm。
[0027]优选地，步骤(2)中，所述固化的温度为20～40℃，时间为3～8h。
[0028]优选地，所述涂覆的方法包括滴涂、喷涂等方法中的任意一种。
[0029]优选地，所述涂覆的速度为5～30mL/min。
[0030]优选地，步骤(4)中，所述防水密封封装包括采用固体或液体形式的胶水对传感器的组装以及防水处理。
[0031]本专利技术以脂肪族芳香族无规共聚酯和/或聚二甲基硅氧烷作为弹性体的前驱体材料，涂布在导电层的表面发生物理交联反应，对碳基导电层实现物理半包覆，形成具有弹性层
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导电层双层结构的复合薄膜(Janus导电薄膜)。
[0032]将得到的Janus导电薄膜转移到平面或镂空的基底材料表面，其中弹性体层共形贴附于基底表面。而Janus导电薄膜在镂空的刚性基底材料表面能够进一步增强其柔顺性能，在外力驱动下可实现三维均向拉伸。自支撑薄膜部分贴附在固定基底上，未贴附基底的
部分可在外力作用下实现三维均向形变，即自支撑行为。碳基导电层在外力的作用下，发生机械变形，进一步变形后相互接触引入接触电阻并改变了电路结构，从串联电路(张力传感器的传感机制)转变为并联电路(压力传感器的传感机制)，从而使制备得到的传感器能以稳定且连续的状态检测均向变形，而且可以有效地捕捉液压介导的微小变形，提高传感器检测的灵敏度。
[0033]本专利技术所获得的有益技术效果：
[0034]1.本专利技术采用的技术方案，从使用的原料角度来说，利用弹性体材料和碳基导电材料制备得到的具有的弹性体/导电层结构的Janus导电薄膜，是具有共形贴附性能的复合薄膜，有效提高了传感器的检测灵敏度，灵敏系数可高达200，显著优于市场销售的普通传感器。
[0035]2.采用本专利技术的技术方案制备得到的传感器，从其结构上来说，是一种具有双模态的水下传感器，采用了自支撑导电层与支撑导电层的双层结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可实现水下深度感知监测和深度预警的水下传感器，其特征在于，至少包括自支撑结构导电层和支撑结构导电层；所述自支撑结构导电层和所述支撑结构导电层进行平行组装后防水密封封装，形成具有自支撑
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支撑双层结构的水下传感器；所述自支撑结构导电层中的自支撑结构可在外力驱动下发生三维形变；所述自支撑结构与所述支撑结构导电层中的支撑结构组合作用实现张力传感与压力传感的可逆转换。2.根据权利要求1所述的可实现水下深度感知监测和深度预警的水下传感器，其特征在于，所述平行组装包括所述自支撑结构导电层和所述支撑结构导电层之间采用平行间距式组装，平均间距为1～4mm。3.根据权利要求1或2所述的可实现水下深度感知监测和深度预警的水下传感器，其特征在于，所述自支撑结构导电层通过Janus导电薄膜转移到镂空基底的表面形成；所述支撑结构导电层通过所述Janus导电薄膜转移到非镂空基底的表面形成。4.根据权利要求3所述的可实现水下深度感知监测和深度预警的水下传感器，其特征在于，所述镂空基底和/或所述非镂空基底的材料相同，包括塑料培养皿、玻璃片、硅片中的任意一种；和/或，所述Janus导电薄膜包括弹性体层/导电层的双层结构的复合薄膜；和/或，所述弹性体层和所述导电层经弱范德华相互作用形成具有弱界面强度的Janus复合薄膜的双层结构。5.根据权利要求4所述的可实现水下深度感知监测和深度预警的水下传感器，其特征在于，所述导电层的材质为碳基导电材料，经水
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空界面自组装行为组装而成；和/或，所述弹性体层包括将弹性前驱体分散液涂布在所述导电层的表面，所述弹性前驱体与所述导电层的材料进行。6.根据权利要求5所述的可实现水下深度感知监测和深度预警的水下传感器，其特征在于，所述导电层的材质包括碳纳米管、石墨烯、富勒烯等中的任意一种或两种以上的组合；所述弹性前驱体分散液包括将弹性前驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，肖鹏，邓枫，谷金翠，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：