Page 99 - 《精细化工》2020年第8期

第 8 期 张国睿，等: 基于十二烷基衣康酸甘油酯的光电双响应传感器 ·1597·

2.2 拉伸传感性能测试 2a 中拉伸照片和图 2b 所示，初始状态下传感器自
将传感器固定在拉伸试验机的夹具上，在拉伸 身的结构色为红色，最大反射光波长为 624 nm。当
的同时，使用 LCR 数字电桥和光纤光谱仪同时测量 应变程度分别为：20%、40%、60%、80%以及 100%
其电学信号和最大反射波长的变化。首先，探究了 时，传感器自身对应的颜色和最大反射峰波长分别
传感器在拉伸过程中的电容变化量和最大反射光波 为黄色（589 nm）、绿色（515 nm）、青蓝色（486 nm）、
长的变化过程，图 2a 为通过实际拉伸测试得到的拉 蓝色（456 nm）以及紫色（440 nm）。为了继续探究
伸过程中该传感器的电容变化量与拉伸量之间的关 该传感器在拉伸应变过程中的性能，考察不同拉伸
系。从图 2a 中可以看出，随着拉伸量的增加，电容 程度（拉伸量分别为 20%、40%、60%、80%以及
变化量呈逐渐增长的趋势，当拉伸量从 0 增加到 100%）对应着的不同电容变化，结果见图 2c。可以
100%时，电容变化量为 31%，达到整个应变过程中 看出，随着拉伸量的逐渐增加，传感器的电容变化
的最大值。同时，随着拉伸量的增加，该传感器的 量也随之产生变化，在拉伸和恢复的过程中，其电
拉伸灵敏度呈逐渐上升的趋势，整个过程中拉伸灵 容变化量前后基本保持一致，测得其对应的电容变
敏度分为 3 个部分，前两个部分的值较小，当拉伸 化分别为 6%、12%、18%、24%以及 31%。将最大
量达到 17%后，传感器的拉伸灵敏度（GF）值达到 反射光波长变化曲线与电信号变化曲线结合在一
最大值，约为 0.35。传感器的灵敏度系数是 1 个与 起，从图 2d 中可知，在可见光范围内，随着拉伸应
应变有关的函数，定义为(ΔC/C 0 )/ε′，其中 ε′为应变 变的增大，传感器的最大反射光波长不断下降，而
倍数，ΔC=C–C 0 ，C 和 C 0 分别为电容最大参数和电 传感器的电信号则不断增大。为了测试传感器的稳
容初始参数。传感器在不同应变程度下分别对应不 定性，在 70%的拉伸应变下，对其进行了 15000 次
同的颜色变化，随着拉伸过程的进行（0~100%）， 循环拉伸测试，结果如图 2e 所示。经过 15000 次的
传感器整体厚度逐渐发生改变。根据布拉格衍射公 循环拉伸后，该应变传感器的电容变化与循环拉伸
式，当结构色水凝胶中 PDGI 层之间的距离变小时， 测试之前的测试数据基本相同，电容变化保持在
其最大反射光波长也会减小，结构色水凝胶的最大 20%左右，并无明显的漂移现象。说明该应变传感
反射波长就可以在全可见光范围内从红色变化到蓝 器的拉伸稳定性较好。
色，人眼就可以清楚地观察到其颜色的改变。如图

图 2 传感器的电容-拉伸曲线（a）；传感器拉伸过程中结构色反射光谱变化图（b）；传感器电容循环拉伸变化曲线（c）；
传感器拉伸过程中电容与最大反射波长变化曲线（d）；传感器在 15000 次循环拉伸应变 70%下的稳定性测试（e）
Fig. 2 Capacitance-pressure curve of sensor (a); spectra change of structural color during the stretching of the sensor (b);
capacitance-strain curve during repetitive variations (c); capacitance-maximum reflection wavelength curve in the
strain (d); stable test of the sensor during more than 15000 strain cycles (e)

2.3 压缩传感性能测试 身的电容变化量和颜色同样会发生变化。图 3a 为通
在压缩过程中，随着传感器厚度的减小，其自 过实际测试得到的在压缩过程中该传感器的电容变