CN104880206B - 电阻应变片及电阻应变式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电阻应变片及电阻应变式传感器，其中，电阻应变片包括：柔性基底；电阻应变传感单元，附着于所述柔性基底上。所述电阻应变传感单元两端设有引出电极。所述电阻应变式传感器包括：电阻应变片和被测构件，电阻应变片与所述被测构件在物理量的作用下一起产生形变，通过测量形变过程中所述电阻应变片的电阻值变化量来测量作用于所述被测构件上的所述物理量的大小。本发明可以测量最大200％的应变、及其对应的物理量，而且集成度高、可拓展性好、易于实现。

Description

电阻应变片及电阻应变式传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种实现大尺度应变测量范围的电阻应变式传感器，具体来说就是一种电阻应变片及电阻应变式传感器。

背景技术

传统应变片和应变式传感器通常用来研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况。随着电子、信息技术的发展，应变式传感器应用已逐渐拓展到方方面面，相应的也对应变式传感技术提出了更高的要求。特别是应用于人体的生物医疗器械、可穿戴式电子等装置，对于传感器的柔软性和大尺度测量范围等性能指标提出了更高的要求。应变传感器主要包括光纤应变式传感器、压电材料应变式传感器、电阻应变式传感器等几种类型。

其中，光纤应变式传感器的最大问题在于其需要大量设备与之相辅助，布置较困难，且成本很高，制约了其在小型化、低成本、便携式设备中的应用；而压电材料应变式传感器由于受到其材料的机械电学性能和界面粘结等方面的制约，很难满足对于传感器柔软性和大尺度测量范围的需求。

目前较常采用的应变式传感元件是电阻应变式传感器，基于电阻应变效应，即被测构件受到所测量的物理量作用而产生变形，并使附着其上的电阻应变片一起变形，电阻应变片再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量拉力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。现有的电阻应变片的功能层材料主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。由于金属材料柔软性较差，其最大缺点是灵敏度低、测量范围小，通常只能测量约百分之几的应变值，例如，铂的应变值为±8％，钨具有约±0.3％的应变范围，铜镍合金具有±5％的应变值范围。半导体应变计最主要的缺点是受温度影响大，制备工艺复杂，制备成本高，且其能够可逆伸缩的变形量也只有约百分之几的应变值。因此，传统的金属和半导体材料在用于应变传感器的用途上时受到很大限制，特别是很难实现大尺度应变的测量。

为了实现柔软性和大尺度应变测量，人们试图采用新兴材料作为电阻应变片的功能层，例如中国专利公开号CN101598529公布了一种涂敷有导电颗粒或纤维与弹性体基体的混合物的弹性织物制作的应变式传感器，其有50％的最大应变值。但其仅用于测量面内单方向应变，且其加工工艺较复杂，如需清洁、干燥弹性织物基底，需固化导电颗粒或纤维以除去其中存在的水或其它溶剂等处理工艺。特别是很难实现微米、纳米尺度的精细加工(针对传感器的小型、微型化)，可集成性(与其他电子器件和系统集成)和可拓展性较差。

又如中国专利公开号CN104142118公开了一种以多条所述碳纳米管(CNT)纤维构成的CNT膜作为功能层材料的电阻应变传感器，其具有大于80％的应变值。但当在沿非CNT纤维的取向方向进行形变时，传感器所测得的电阻变化的线性度不高。同样的，也很难实现微米、纳米尺度的精细加工(传感器的小型、微型化)，可集成性(与其他电子器件和系统集成)和可拓展性较差。

为此，本领域亟需开发一种能够进行微米、纳米尺度的精细加工，且可集成性和拓展性好的电阻应变式传感器。

发明内容

本发明提供一种电阻应变片及电阻应变式传感器，通过在柔性基底贴附一层具有微米和纳米间隙的导电薄膜(即电阻应变传感层)，形成电阻应变片，再将电阻应变片附着在被测构件上，当被测构件发生物理形变时，导电薄膜的电阻值会改变，从而获得被测构件的物理量变化，解决了现有技术中电阻应变片所测量时的最大应变量小，集成度低、拓展性差的问题。

本发明的电阻应变片，包括柔性基底和电阻应变传感单元，其中，电阻应变传感单元附着于所述柔性基底上。所述电阻应变传感单元进一步包括：电阻应变传感层，用于根据产生形变的大小改变其对应的电阻值；第一电极，与所述电阻应变传感层的一端电连接；第二电极，与所述电阻应变传感层的另一端电连接。

本发明的电阻应变式传感器，包括电阻应变片和被测构件，将所述电阻应变片贴附在所述被测构件表面，与所述被测构件在物理量的作用下一起产生形变，通过测量形变过程中所述电阻应变片的电阻值变化量来测量作用于所述被测构件上的物理量。

本发明提供一种电阻应变片及电阻应变式传感器，通过在柔性基底贴附一层具有微米和纳米间隙的导电薄膜(亦即电阻应变传感层)，从而形成电阻应变片，再将电阻应变片粘附在被测构件上，当被测构件发生物理形变时，电阻应变片会随着被测构件一起发生形变，即导电薄膜会被拉伸，此时导电薄膜的电阻值会发生改变，通过导电薄膜的电阻值改变量，可以获得被测构件的物理量(包括拉力、压力、扭矩、位移、加速度或者温度等)变化；由于导电薄膜是由表面具有微米和纳米间隙结构的可拉伸金膜制成，最大应变量可达200％；此外可以在被测构件上贴附多个电阻应变片，可同时监测不同方向和不同部位的应变。此外，本发明的电阻应变片结构简单，具有集成度高、可拓展性好等优点。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式一的俯视图；

图2为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式二的俯视图；

图3为图1中所示的电阻应变片沿A-A方向的剖视图；

图4为图1中所示的电阻应变片沿B-B方向的剖视图；

图5为图2中所示的电阻应变片沿C-C方向的剖视图；

图6为图2中所示的电阻应变片沿D-D方向的剖视图；

图7为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式三的俯视图；

图8为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式四的俯视图；

图9为图7中所示的电阻应变片沿E-E方向的剖视图；

图10为图8中所示的电阻应变片沿F-F方向的剖视图；

图11为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式一的俯视图；

图12为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式二的俯视图；

图13为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式三的俯视图；

图14为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式四的俯视图；

图15为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式五的俯视图；

图16为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器与其它传感器集成应用示意图；

图17为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层的拉伸前的表面形貌图；

图18为图17所示的一种电阻应变片的电阻应变传感层的拉伸中的表面形貌图；

图19为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层的电阻变化和应变的关系图；

图20为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层拉伸前纳米裂纹间隙分布示意图；

图21为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层拉伸时微米-纳米裂纹间隙分布示意图；

图22为本发明实施例提供的一种具备平铺状基底的电阻应变片的具体应用实施例；

图23为本发明实施例提供的一种具备柱状结构基底的电阻应变片的具体应用实施例。

附图符号说明：

10 柔性基底 20 第一电阻应变传感单元

21 电阻应变传感层 22 第一电极

23 第二电极

30 保护层

40 第二电阻应变传感单元 50 第三电阻应变传感单元

60 第四电阻应变传感单元 70 第五电阻应变传感单元

80 第六电阻应变传感单元 90 第七电阻应变传感单元

α 第一角度 β 第二角度

γ 第三角度 δ 第四角度

1000 电阻应变片 2000 被测构件

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”、“和/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图1为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式一的俯视图，如图1所示，所述电阻应变片包括柔性基底10和第一电阻应变传感单元20，其中，第一电阻应变传感单元20进一步包括电阻应变传感层21、第一电极22和第二电极23。第一电阻应变传感单元20附着于所述柔性基底10上，并与所述柔性基底10一起发生形变，电阻应变传感层21用于根据产生形变的大小改变其对应的电阻值；第一电极22与所述电阻应变传感层21的一端电连接；第二电极23与所述电阻应变传感层21的另一端电连接。本发明的其它具体实施例中，所述第一电阻应变传感单元20为具有微米和纳米间隙结构、且在较大形变下依旧保持电导通的导电薄膜。其中所述导电薄膜的材质可以为金、铂、铜、石墨烯中的一种，金、铂、铜、石墨烯的导电性能都很好，具有微米和纳米间隙结构的金、铂、铜、石墨烯薄膜可以很好地测量应变产生的电阻变化量。

参照图1，第一电阻应变传感单元20附着于所述柔性基底10上，在所测物理量作用下与所述柔性基底10一起产生形变。电阻应变传感层21、第一电极22和第二电极23由表面具有微米和纳米间隙结构的可拉伸导电薄膜制成，在本申请中，采用微纳加工工艺(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)将电阻应变传感层21、第一电极22和第二电极23加工于所述柔性基底10上，本发明不以此为限，本发明的一具体实施例中，第一电极22和第二电极23的尺寸为1.5×1.5mm²，电阻应变传感层21的尺寸为0.5×10mm²，金薄膜的厚度约为50nm，该金薄膜可在150％的一维形变下依旧保持电导通，且在最大拉伸率下具有多次循环的疲劳寿命。本发明实施例提供的一种电阻应变片，通过采用新颖的微米和纳米间隙结构来实现，当导电薄膜随着柔性基底10一起发生形变时，导电薄膜的微米和纳米间隙结构能很好地释放局部应力，而不至于在薄膜内部产生大的贯穿性裂纹，从而保证了其薄膜连续性和电导通性；由电阻应变片和柔性基底10构成一种可测量大尺度形变范围的电阻应变片，该电阻应变片可以测量最大200％的应变。

图2为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式二的俯视图，如图2所示，所述电阻应变片还包括保护层30，其中，保护层30覆盖于所述电阻应变传感层21上，保护层30用于保护所述电阻应变传感层21。

参照图2，所述电阻应变传感层21上覆盖有保护层30，可以防止异物进入所述电阻应变传感层21，同时也防止外物损坏所述电阻应变传感层21，延长了电阻应变传感层21的使用寿命，同时也保证了测量的准确性。

本发明的一具体实施例中，所述保护层30具有弹性，所述保护层30的材料为橡胶或者为聚二甲基硅氧烷。本发明不以此为限，只要能够起到保护作用，且不影响物理量正常测量的材料均可。

图3为图1中所示的电阻应变片沿A-A方向的剖视图，如图3所示，第一电阻应变片20附着于所述柔性基底10上，第一电阻应变传感单元20(图中未标示)进一步包括电阻应变传感层21、第一电极22和第二电极23，在物理量的作用下柔性基底10产生形变，由于第一电阻应变传感单元20附着于柔性基底10上，第一电阻应变传感单元20与柔性基底10一起发生形变。

图4为图1中所示的电阻应变片沿B-B方向的剖视图，如图4所示，第一电阻应变传感单元20附着于所述柔性基底10上，由于各个部分上文已经描述，此处不再具体描述，以节省篇幅。

图5为图2中所示的电阻应变片沿C-C方向的剖视图，图5与图3的不同在于，所述电阻应变传感层21上还覆盖有保护层30，保护所述电阻应变传感层21，同时也防止外物损坏所述电阻应变传感层21，延长了电阻应变传感层21的使用寿命，同时也保证了测量的准确性。

图6为图2中所示的电阻应变片沿D-D方向的剖视图，如图6所示，保护层30也包覆了所述电阻应变传感层21的两边侧壁，从而能够更好地保护所述电阻应变传感层21，本发明不以此为限。

本发明的一具体实施例中，所述电阻应变片还包括一打底层(图中未标示)，其中，打底层设置于所述柔性基底10和所述第一电阻应变传感单元20之间，打底层主要用于增强所述柔性基底10与所述第一电阻应变传感单元20之间的粘附性。

所述打底层设置于所述柔性基底10和所述第一电阻应变传感单元20之间，所述打底层可以增强导电薄膜(即金薄膜，包括：电阻应变传感层21、第一电极22和第二电极23)和柔性基底10的粘附性，打底层的材质可为钛、铬、铜中的一种，本发明不以此为限。打底层有效增强了导电薄膜和柔性基底10的粘附性，在柔性基底10在物理量的作用下产生形变时，导电薄膜与柔性基底10一起发生形变，进一步保证了测量的精准性。

本发明的一具体实施例中，保护层30可以同时包覆打底层，从而防止异物进入打底层与柔性基底10、第一电阻应变传感单元20之间的间隙，从而保证打底层与柔性基底10、第一电阻应变传感单元20之间的粘附性，本发明不以此为限。

图7为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式三的俯视图，图7与图1的不同在于，所述柔性基底10为柱状结构，第一电阻应变传感单元20附着于所述柔性基底10上，在所测物理量作用下与所述柔性基底10一起产生形变，其它与图1所示的电阻应变片完全相同，此处不再赘述，以节省篇幅。

图8为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式四的俯视图，图8与图7的不同之处在于，所述电阻应变片还包括保护层30，其中，保护层30覆盖于所述电阻应变传感层21上，保护层30用于保护所述电阻应变传感层21。

图9为图7中所示的电阻应变片沿E-E方向的剖视图，如图9所示，所述柔性基底10呈柱状结构，所述第一电阻应变传感单元20附着于呈柱状结构的柔性基底10上，第一电阻应变传感单元20也呈现出扇环结构；此外，第一电阻应变传感单元20也可以呈现出圆环结构，本发明不以此为限。

第一电阻应变传感单元20附着于平面状基底上的具体应用实施，以及第一电阻应变传感单元20附着于呈柱状结构的柔性基底10上的具体实施例，后文会作具体说明。

图10为图8中所示的电阻应变片沿F-F方向的剖视图，图10与图8的不同之处在于，所述电阻应变片还包括保护层30，其中，保护层30覆盖于所述电阻应变传感层21上，保护层30用于保护所述电阻应变传感层21。图10中，保护层30覆盖整个柱状柔性基底10，能够起到很好的防护作用。

本发明的一具体实施例中，所述电阻应变片还包括一打底层，其中，打底层设置于所述柔性基底10和所述第一电阻应变传感单元20之间，打底层用于增强所述柔性基底10与所述第一电阻应变传感单元20之间的粘附性。

图11为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式一的俯视图，如图11所示，所述电阻应变式传感器包括：电阻应变片1000和被测构件2000，其中，将所述电阻应变片1000贴附在所述被测构件2000表面，与所述被测构件2000在所测物理量的作用下一起产生形变，通过测量形变过程中所述电阻应变片1000的电阻值变化来测量作用于所述被测构件2000上的物理量。本发明的具体实施例中，所述物理量可以为拉力、压力、扭矩、位移、加速度或者温度。

参照图11，本发明提供的电阻应变式传感器具有结构简单、原理可靠、成本低的优点，可实现微米尺寸，可灵活地检测空间狭小的实例中。

图12为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式二的俯视图，图12与图11的不同之处在于，所述柔性基底10为柱状结构，电阻应变片1000粘附于所述被测构件2000表面，在物理量(包括拉力、压力、扭矩、位移、加速度或者温度等)作用下与被测构件2000一起产生形变。

图13为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式三的俯视图，如图13所示，所述电阻应变片还包括第二电阻应变传感单元40，第二电阻应变传感单元40与所述第一电阻应变传感单元20垂直交叉布局，第二电阻应变传感单元40附着于所述柔性基底10上。

参照图13，第一电阻应变传感单元20和第二电阻应变传感单元40的材料采用微纳加工工艺制作而成，第一电阻应变传感单元20和第二电阻应变传感单元40所使用的材质可以不同，例如，第一电阻应变传感单元20由金制成，第二电阻应变传感单元40由石墨烯制成，可以实现第一电阻应变传感单元20和第二电阻应变传感单元40的垂直交叉布置，从而可以实现相同部位、不同方向应变的同时检测，应用灵活，可拓展性强，在实际应用中更具有竞争力。图13所示的电阻应变式传感器只是本发明的一个具体实施例，第一电阻应变传感单元20水平设置，第二电阻应变传感单元40垂直设置只是相对而言，也可以第一电阻应变传感单元20垂直设置，第二电阻应变传感单元40水平设置，在其它具体实施例中，第一电阻应变传感单元20和第二电阻应变传感单元40还可以根据实际测量的需要，让第一电阻应变传感单元20和第二电阻应变传感单元40呈现非垂直布局，例如，剪刀状布局或者平行布局等等，本发明不以此为限。

再次参照图13，所述第一电阻应变传感单元20和所述第二电阻应变传感单元40之间具有一绝缘层(图中未标示)。绝缘层的设置可以防止所述第一电阻应变传感单元20和所述第二电阻应变传感单元40之间的相互影响，使得测量结果更加精准。当然，在本发明的特定实施例中，当所述第一电阻应变传感单元20和所述第二电阻应变传感单元40的长度很长，仅测量所述第一电阻应变传感单元20或所述第二电阻应变传感单元40所受的应力时，由于交叉部分面积相对较小，可以忽略重叠部分对测量结果的影响，因此可以不设置绝缘层，以达成成本节省和制备简单的效果。

图14为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式四的俯视图，图15为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式五的俯视图，如图14和15所示，所述电阻应变片还包括第三电阻应变传感单元50、和/或第四电阻应变传感单元60、和/或第五电阻应变传感单元70、和/或第六电阻应变传感单元80和/或第七电阻应变传感单元90，其中，第三电阻应变传感单元50与所述第一电阻应变传感单元20平行并排布局；第四电阻应变传感单元60与所述第一电阻应变传感单元20之间成第一角度α布局；第五电阻应变传感单元70与所述第一电阻应变传感单元20之间成第二角度β布局；第六电阻应变传感单元80与所述第一电阻应变传感单元20之间成第三角度γ布局；第七电阻应变传感单元90与所述第一电阻应变传感单元20之间成第四角度δ布局；其中，所述第三电阻应变传感单元50、和/或所述第四电阻应变传感单元60、和/或所述第五电阻应变传感单元70、和/或所述第六电阻应变传感单元80、和/或所述第七电阻应变传感单元90都附着于所述柔性基底10上。以上所述电阻应变传感单元由微纳加工工艺制作而成，所使用的材质可以相同、也可以不同，本发明不以此为限。

参照图15，第一电阻应变传感单元20和第三电阻应变传感单元50并行设置，第四电阻应变传感单元60、和/或第五电阻应变传感单元70、和/或第六电阻应变传感单元80和/或第七电阻应变传感单元90围绕着第一电阻应变传感单元20和第三电阻应变传感单元50设置，可以实现不同部位和不同方向应变的同时检测，应用范围广阔、应用灵活、可拓展性强，本发明的具体实施例中，可以仅有第五电阻应变传感单元70、第六电阻应变传感单元80和第七电阻应变传感单元90其中的一个或多个，本发明不以此为限。

本发明并不对所述第一角度α、和/或所述第二角度β、和/或所述第三角度γ和/或所述第四角度δ之间的大小关系作具体限定，所述第四电阻应变传感单元60、和/或所述第五电阻应变传感单元70、和/或所述第六电阻应变传感单元80和/或所述第七电阻应变传感单元90围绕所述第一电阻应变传感单元20和所述第三电阻应变传感单元50的布局，所述第一角度α、和/或所述第二角度β、和/或所述第三角度γ和/或所述第四角度δ为面向所述第一电阻应变传感单元20和所述第三电阻应变传感单元50的角度，例如本发明一具体实施例中，所述第一角度α、所述第二角度β、所述第三角度γ和所述第四角度δ的大小互不相同；本发明另一具体实施例中，所述第一角度α、所述第二角度β、所述第三角度γ和所述第四角度δ的大小相同。例如，所述第一角度α、所述第二角度β、所述第三角度γ和所述第四角度δ均为45度，或者，所述第一角度α和所述第四角度δ为45度，所述第二角度β和所述第三角度γ为60度。另外，本发明也不对电阻应变传感单元的数量进行限定，在满足发明目的的前提下，可以适当增加或减少电阻应变传感单元的数量，例如，可以不设置第三电阻应变传感单元50，即仅所述第四电阻应变传感单元60、和/或所述第五电阻应变传感单元70、和/或所述第六电阻应变传感单元80和/或所述第七电阻应变传感单元90围绕所述第一电阻应变传感单元20的布局(如图14所示)，还可以再设置两个电阻应变片，分别与第一电阻应变传感单元20和第三电阻应变传感单元50交叉垂直设置，本发明不以此为限。

本发明的一具体实施例中，如果所述第一电阻应变传感单元20与其它电阻应变传感单元存在重叠交叉(如图15所示)，那么，所述第一电阻应变传感单元20、和/或所述第四电阻应变传感单元60、和/或所述第五电阻应变传感单元70、和/或所述第六电阻应变传感单元80、和/或所述第七电阻应变传感单元90之间设有绝缘层。

图16为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器与其它传感器集成应用示意图，如图16所示，电阻应变片的电阻应变传感层材料采用微纳加工工艺(MEMS)制作而成，因此尺寸可以灵活设计和加工，最小可以实现纳米尺寸的结构，而且易于与其他传感器、电子器件和系统集成，电阻应变片的形状、尺寸、数量和排列方式可以根据实际应用要求进行调整。

图17为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层的拉伸前的表面形貌图；图18为图17所示的一种电阻应变片的电阻应变传感层的拉伸中的表面形貌图；如图17～图18所示，第一电极22、第二电极23和电阻应变传感层由表面具有微米和纳米间隙结构的可拉伸金薄膜制成，打底层为钛，图17-图18分别为金薄膜在拉伸前、拉伸中(ε＝100％)和拉伸还原后的扫描电子显微镜图(SEM)，从图中可看出金薄膜表面的微米和纳米间隙结构，该结构在薄膜拉伸时能很好地释放局部应力，图17所示为导电薄膜的原始纳米间隙结构图，从图17中可看到纳米间隙处于任意分布状态，当导电薄膜受到应力拉伸时，部分纳米间隙将会扩张、合并成宽度为微米级别的微米间隙(如图18所示)，以此来释放拉伸中产生的局部应力，而不至于在薄膜内部产生大的贯穿性裂纹，从而保证了其可拉伸性，而不至于在薄膜内部产生大的贯穿性裂纹，从而保证了其可拉伸性。

图19为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层的电阻变化和应变的关系图，电阻应变传感单元的第一电极22和第二电极23的尺寸均为1.5×1.5mm²，电阻应变传感层的尺寸为0.5×10mm²，金薄膜的厚度约为50nm，该薄膜可在150％的一维形变下依旧保持电导通，且在最大拉伸率下具有多次循环的疲劳寿命。如图19所示，y＝ax，y＝ln(R/R₀)，x＝ε，a＝2.86178,相关系数r＝0.9963，电阻应变片在循环拉伸100次后测量电阻应变传感层的电阻变化和引起该变化的应变的对应关系图。图19中y＝ln(R/R₀)，x＝ε，其中R₀为初始电阻值，R为应变时的电阻值，ε为应变量；从图19中可以看出，y和x对应很好的线性关系：y＝ax，从而确保电阻应变片在大幅度应变时，物理量(包括拉力、压力、扭矩、位移、加速度或者温度等)测量的精确性。电阻初始值R₀和线性系数a是由电阻应变传感层的尺寸和结构决定的，但电阻值随应变的变化规律类似。从图19中能看出所述电阻应变片具有响应速度快、灵敏度高、线性度好的特点。电阻应变片在保持电导通的条件下能达到的最大形变范围可以通过改变电阻应变传感层的尺寸来调整。

图20为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层拉伸前纳米裂纹间隙分布示意图；图21为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层拉伸时微米-纳米裂纹间隙分布示意图，如图20、图21所示，图20为导电薄膜拉伸前，其表面分布着若干纳米裂纹间隙结构，图21为当导电薄膜受到应力拉伸时，部分纳米间隙局部合并成了微米间隙，以此来释放拉伸中产生的局部应力，不会在薄膜内部产生大的贯穿性裂纹，保证了电阻应变传感层的可拉伸性。

图22为本发明实施例提供的一种具备平铺状基底的电阻应变片的具体应用实施例；图23为本发明实施例提供的一种具备柱状结构基底的电阻应变片的具体应用实施例，如图22、图23所示，给出了电阻应变片的两种结构图，即平铺态结构和柱状结构，两种不同的结构可根据实际应用场合进行合理运用。图22和图23给出了两种电阻应变片在生物医学领域的两个具体运用实施例。图22为平铺态结构的电阻应变片以护膝的形式贴服在膝关节受损病人或偏瘫病人的膝关节处，在病人做康复训练时，通过实时检测病人膝关节处的活动范围来指导病人做康复训练，以免病人在知觉完全恢复前做出过激过度的运动量，造成膝关节的二次损伤。图23为柱状结构的电阻应变片以手链的形式系在病人的手腕处进行脉搏测试，此种穿戴法较平铺态结构的电阻应变传感器而言，不需要使用粘合剂，具有操作简单、透气性更高的优点，且外形更加美观。

本发明提供一种电阻应变片及电阻应变式传感器，通过在柔性基底贴附一层具有微米和纳米间隙的导电薄膜(亦即电阻应变传感层)，从而形成电阻应变片，再将电阻应变片粘附在被测构件上，当被测构件发生物理形变时，电阻应变片会随着被测构件一起发生形变，即导电薄膜会被拉伸，此时导电薄膜的电阻值会发生改变，通过导电薄膜的电阻值改变量，可以获得被测构件的物理量(包括拉力、压力、扭矩、位移、加速度或者温度等)变化；由于导电薄膜是由表面具有微米和纳米间隙结构的可拉伸导电薄膜制成，最大应变量可达200％；此外可以在被测构件上粘附多个电阻应变片，可同时监测不同方向和不同部位的应变，本发明的电阻应变片结构简单，具有成本低、集成度高、可拓展性好等优点。

本发明至少还具有以下有益效果：

1.本发明提出了一种新的可大尺度形变的电阻应变片，电阻应变片的导电薄膜采用新颖的微米和纳米间隙结构来实现；当导电薄膜随着柔性基底一起发生形变时，导电薄膜的微米和纳米间隙结构能很好地释放局部应力，而不至于在薄膜内部产生大的贯穿性裂纹，从而保证了其可拉伸性。

2.本发明将电阻应变片粘贴于被测构件上，构成一种可测量大尺度形变范围的电阻应变式传感器，该电阻应变式传感器可以测量最大200％的应变。

3.本发明电阻应变片的导电薄膜采用微纳加工工艺制作而成，电阻应变片可加工成微米或纳米尺寸，能实现多个电阻应变片集成，可同时检测不同部位和不同方向的应变，且能与其它传感器、电子器件和系统实现集成。

4.本发明的电阻应变片及电阻应变传感器具有多次循环的疲劳寿命，且其导电薄膜材料可以加工在诸如硅胶、织物等不同弹性基底材料上，受基底(依托)材料制约较小，功能层随基底材料一起具有非常高的柔性，可以弯曲变形，能够满足生物体复杂的体表形态和动态形变要求，能够测定组织的形变，可以应用在如生物医学等领域，应用广泛，在实际应用中更具竞争力。

5.本发明的电阻应变片及电阻应变传感器制备简单、原理可靠、成本低，制备的电阻应变传感器透明，所使用的材料具有对人体的绝对安全性、环境友好。

6.电阻应变片采用微纳加工工艺制备而成，可拓展为多个通道，可实现多个传感单元集成，可同时监测不同方向和不同部位的应变。

7.电阻应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快，测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小，既可用于静态测量，又可用于动态测量。

8.本发明的电阻应变传感器灵敏度高，响应时间短，抗疲劳寿命长。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (12)

1.一种电阻应变片，其特征在于，所述电阻应变片包括柔性基底(10)、第一电极(22)、第二电极(23)和具有微米和纳米间隙结构的电阻应变传感层(21)，其中，电阻应变传感层(21)、第一电极(22)和第二电极(23)组成第一电阻应变传感单元(20)，采用微纳加工工艺将电阻应变传感层(21)、第一电极(22)和第二电极(23)加工于所述柔性基底(10)上，

所述电阻应变传感层(21)为在较大形变下依旧保持电导通的金属导电薄膜，其中，所述金属导电薄膜的厚度为50nm；

所述第一电阻应变传感单元(20)附着于所述柔性基底(10)上；

所述电阻应变传感层(21)用于根据产生形变的大小改变对应的电阻值；

所述第一电极(22)与所述电阻应变传感层(21)的一端电连接；

所述第二电极(23)与所述电阻应变传感层(21)的另一端电连接，

所述电阻应变片还包括：保护层(30)，覆盖于所述电阻应变传感层(21)上，用于保护所述电阻应变传感层(21)，其中，所述柔性基底(10)呈柱状结构，所述保护层(30)覆盖整个柱状柔性基底(10)。

2.如权利要求1所述的电阻应变片，其特征在于，所述保护层(30)具有弹性，所用材料为橡胶或者为聚二甲基硅氧烷。

3.如权利要求1所述的电阻应变片，其特征在于，所述柔性基底(10)具有弹性，所用材料为橡胶或者为聚二甲基硅氧烷。

4.如权利要求1所述的电阻应变片，其特征在于，所述金属导电薄膜的材质可为金、铂、铜中的一种。

5.如权利要求1所述的电阻应变片，其特征在于，所述电阻应变片还包括：

与所述第一电阻应变传感单元(20)垂直交叉布局的第二电阻应变传感单元(40)，附着于所述柔性基底(10)上。

6.如权利要求5所述的电阻应变片，其特征在于，所述第一电阻应变传感单元(20)和所述第二电阻应变传感单元(40)之间具有绝缘层。

7.如权利要求1所述的电阻应变片，其特征在于，所述电阻应变片还包括：

与所述第一电阻应变传感单元(20)并排布局的第三电阻应变传感单元(50)。

8.如权利要求7所述的电阻应变片，其特征在于，所述电阻应变片还包括：

与所述第一电阻应变传感单元(20)之间成第一角度(α)布局的第四电阻应变传感单元(60)；

和/或，与所述第一电阻应变传感单元(20)之间成第二角度(β)布局的第五电阻应变传感单元(70)；

和/或，与所述第一电阻应变传感单元(20)之间成第三角度(γ)布局的第六电阻应变传感单元(80)；

和/或，与所述第一电阻应变传感单元(20)之间成第四角度(δ)布局的第七电阻应变传感单元(90)；

其中，所述第三电阻应变传感单元(50)、所述第四电阻应变传感单元(60)、所述第五电阻应变传感单元(70)、所述第六电阻应变传感单元(80)、所述第七电阻应变传感单元(90)都附着于所述柔性基底(10)上。

9.如权利要求8所述的电阻应变片，其特征在于，所述第四电阻应变传感单元(60)、和/或所述第五电阻应变传感单元(70)、和/或所述第六电阻应变传感单元(80)和/或所述第七电阻应变传感单元(90)围绕所述第一电阻应变传感单元(20)布局。

10.如权利要求8所述的电阻应变片，其特征在于，所述第一电阻应变传感单元(20)、和/或所述第四电阻应变传感单元(60)、和/或所述第五电阻应变传感单元(70)、和/或所述第六电阻应变传感单元(80)、和/或所述第七电阻应变传感单元(90)之间具有绝缘层。

11.一种电阻应变式传感器，其特征在于，所述电阻应变式传感器包括：权利要求1-10任一所述的电阻应变片(1000)和一被测构件(2000)，

将所述电阻应变片(1000)贴附在所述被测构件(2000)表面，与所述被测构件(2000)在物理量的作用下一起产生形变，通过测量形变过程中所述电阻应变片(1000)的电阻值变化量来测量作用于所述被测构件(2000)上的所述物理量。

12.如权利要求11所述的电阻应变式传感器，其特征在于，所述物理量包括：拉力、和/或压力、和/或扭矩、和/或位移、加速度和/或温度。