CN106959071A - 一种仿生应变感知结构及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生应变感知结构及其形成方法，仿生应变感知结构是在纸质基底上形成有具有条状平行裂缝带的导电墨水层，导电墨水层致密坚硬而纸质基底疏松柔软。仿生应变感知结构的形成方法是在纸质基底上印刷一层导电墨水，导电墨水干涸后形成致密坚硬的干涸导电墨水层，然后弯曲纸质基底，干涸导电墨水层在弯曲时断裂，导致干涸导电墨水层上有若干裂缝，若干裂缝构成裂缝带仿生结构，干涸导电墨水层形成含有条状裂缝带的导电墨水层，制得仿生应变感知结构；当纸质基底受力后发生应变，裂缝带仿生结构的条状裂缝的裂缝壁之间的接触程度发生变化，导致导电墨水层电阻改变，因而有应变感知功能。

Description

一种仿生应变感知结构及其形成方法

技术领域

本发明涉及应变传感领域，特别涉及一种仿生应变感知结构及其形成方法。具体涉及一种在纸质基底上通过印刷制备仿生应变感知结构的方法。在纸质基底表面刷涂导电涂层，经弯曲断裂后形成条状平行裂纹带，形成特定的仿生裂缝结构。当纸质基底受力后发生应变时，裂纹宽度改变，即裂缝壁的接触程度变化，导致其整体电阻改变，即产生压阻现象，实现应变感知功能。制备的应变感知结构为一种仿生结构，受蝎子振动感知启发，仿生模本来源于蝎子振动感知的缝感受器。

背景技术

以应变测量、感知为目的传感器是现代社会中应用范围最广泛的传感器之一。如将应变传感器应用到力的测量，经标定后作为力传感器、称重传感器；应变传感器与压力、压强相联系，作为压力传感器或经面积换算后作为压力传感器；应变传感器与加速度联系作为加速度传感器；应变传感器与机械振动联系作为振动传感器等。在实际使用中，对应变、应力传感器一般不严格区分。此外，随着近年来可穿戴设备、移动互联网应用的发展，柔性应变传感元件在各类消费电子产品、医疗器械、智能家居设备中广泛应用。如在智能手环上的柔性传应变/应力元件对佩戴者活动量的记录；柔性应变传感片对于病人呼吸频率、血压和脉搏的实时监控以及智能家居设备对各种振动信号的检测等。

作为传感器的一类，应变/应力测量感知器件都是将力、应变等机械输入量转化为电学信号量输出，常见的输出形式有电阻(电阻式应变感知)、电压(压电式应变感知)和电容(电容式应变感知)三种。相对其他两种，电阻式应变感知原件是最易实现、应用最广泛的一种。

目前，电阻式的应变/应力感知元件可归纳为以下3种类型：1、传统的金属应变片，以金属丝、金属薄片受力后长度发生变化而导致电阻发生微小的变化；或者是近年来在柔性材料基底上加工出的相互U型连接形成的蜿蜒蛇形状的应变结构，其长度变化较条片状金属大很多。2、新材料类应变感知元件，以纳米金属颗粒(以纳米银、纳米金等贵金属纳米粒子最为常见)、纳米碳管、石墨烯或者是其三者中两者的混合物为代表的新材料涂覆到柔性基底表面，或作为导电单元嵌入到柔性基底内。当基底受力发生变形后，这些纳米材料、纳米粒子之间的距离发生变化，电子在其间的穿越能力受到影响，导致整体电阻发生显著的变化。3、结构类，采用紫外光刻技术加工制备的各种微纳尺寸的结构，(如在接触表面加工出金字塔结构、圆柱结构等)当发生应变后，接触电阻随之改变；以及以ZnO为代表的纳米线的树枝状交叉结构，在其受力后相互接触的纳米线之间的电子转移效率发生变化，即整体表现为电阻的变化。

但是，上述3种类型还存在以下的不足。金属片式长度变化的应变片由于其在应变时，长度变化较小，电阻变化较小，因而应变检测范围很小，且其灵敏系数(gauge factor,GF)一般都不高，在1.5～10以内；金属纳米颗粒或者纳米碳管、石墨烯等为代表的新材料应变传感器，由于其基底大多为柔性材料，应变范围大、灵敏系数高，但是贵金属纳米颗粒、纳米碳管或者石墨烯材料的成本较高、材料的合成复杂并且合成工艺的稳定性欠佳；光刻技术加工出微纳结构类型的应变感知结构，其工艺可靠性较好，但是其制造成本高、制备过程复杂；另外，纳米线的树枝结构的生长随机，参数调控难度较大。

蝎类经过亿万年的漫长进化，其形态结构没有发生显著变化。其体表进化出了敏锐的裂缝感受器，对机械振动信号十分敏感，蝎子依靠收集经地表传递来的振动信号进行捕食猎物和躲避天敌。模仿蝎子的裂缝感受器，在纸基底上印刷制造出一种仿蝎子裂缝感受器的仿生平行裂缝带结构，实现并模仿蝎子的应变(振动)感知功能，可以作为一种经济、大规模制备的应变感知结构，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生应变感知结构及其形成方法。

本发明是受到蝎子裂缝感受器结构的启发，其结构特点是在柔软的基底材料(纸质基底层)上印刷加工出含有多条平行裂缝(裂缝带)的硬质导电层，为非连续硬质层与柔性层的仿生刚柔耦合结构。

本发明之仿生应变感知结构是在纸质基底上形成有具有条状平行裂缝带的导电墨水层。

本发明之方法是在纸质基底上印刷一层导电墨水，导电墨水干涸后形成致密坚硬的干涸导电墨水层，然后弯曲纸质基底，干涸导电墨水层在弯曲时断裂，干涸导电墨水层上有若干平行裂缝，若干平行裂缝构成裂缝带仿生结构，制得仿生应变感知结构。当纸质基底受力后发生应变，裂缝带仿生结构的条状裂缝的裂缝壁之间的接触程度发生变化，导致导电墨水层电阻改变，因而有应变感知功能。

所述的导电墨水由炭黑作为导电材料、纤维素作为黏度调节剂、丙烯树脂作为粘结剂。

受蝎子裂缝感受器启发，裂缝感受器为平行的多条裂纹结构，并且裂缝上部的蝎子体表外骨骼为硬质材料，下部为皮下组织，其材质较软。由蝎子裂缝感受器结构启发，得到了应变感知结构，其为在纸质基底上涂覆导电墨水，墨水干涸后形成致密坚硬的干涸导电墨水层，掰断后，干涸导电墨水层形成平行裂缝带。上部深色区域为干涸导电墨水层，作为硬质材料，附着在较软的纸质基底上，以此形成了非连续硬质层与柔性层的仿生刚柔耦合结构。当纸质基底受力变形或发生应变后，裂缝壁接合，干涸导电墨水层的电阻发生变化。

本发明的具体步骤是在纸质基底上粘贴掩膜板，掩膜板用于控制导电墨水的涂刷区域尺寸和形状，如有需要掩膜板可重复利用。用笔刷将导电墨水涂抹在掩膜板上，掩膜板上预制的中空区域处被印刷上导电墨水。导电墨水主要由炭黑作为导电材料、由纤维素作为黏度调节剂、由丙烯树脂作为粘结剂。待导电墨水干涸后，将掩膜板揭下，形成了在纸质基底上致密坚硬的导电层。用半径为R的圆柱将其弯曲，导电层断裂形成与蝎子裂缝感受器类似的仿生裂缝结构，用铜箔作为电极，将导电固定到导电墨水层两端，形成了完整的仿生应变感知结构。

仿生应变感知结构的原理是硬质导电层上的裂缝在受力发生应变后，裂缝壁的接触发生变化，从而导致整个感知结构的电阻发生变化。当制备的仿生应变结构受力导致凹状弯曲时，硬质导电层上的裂缝相互结合，导致整体的电阻减小；当应力消除变形回复时，接合的裂缝壁断开，电阻变大，变回初始状态。制备的仿生应变感知结构受力后，单条裂缝的宽度变小。可以看出，随着应变的增大，裂缝的宽度减小；应变消失后，裂缝宽度恢复。

本发明其采用炭黑为导电材料的导电墨水涂刷在纸质基底上，形成致密的硬质导电层；待墨水干涸后用半径R的圆柱弯曲将导电墨水层掰断，形成平行条状裂纹带。本发明中含有条状平行裂缝带的硬质导电墨水层涂覆于柔软的纸质基底上的结构受到蝎子感知振动的裂缝感受器的启发。其结构特点是在柔软的基底材料(纸质基底层)上印刷加工出含有多条平行裂缝(裂缝带)的硬质导电层，为非连续硬质层与柔性层的仿生刚柔耦合结构。纸基底受力后发生应变后，导电层的裂缝宽度发生变化，即裂缝壁接触状态随之改变，导致整个导电层的电阻发生变化，达到应变感知的效果。本发明采用炭黑为导电材料的导电墨水在纸基底上涂刷，其导电材料、基底材料较当前应变传感器成本低廉。本发明模仿蝎子裂缝感受器的振动感知结构，制备的仿生应变感知结构灵敏系数高、结构简单。同时，采用掩膜印刷的方式，具有制备简单、适合大批量印刷制备，且制备材料为低碳环保材料。

附图说明

图1为蝎子裂缝感受器切片结构图。

图2为由蝎子裂缝感受器启发得到的纸基底上的仿生应变感知结构。

图3为仿生应变感知结构制备过程的贴附掩膜板示意图。

图4为仿生应变感知结构制备过程的掩膜印刷示意图。

图5为仿生应变感知结构制备过程的掩膜板从纸质基底上揭下示意图

图6为仿生应变感知结构制备过程的弯曲干涸导电墨水层示意图。

图7为安装电极后的仿生应变结构示意图。

图8为仿生应变感知应变消失舒展的结构示意图。

图9为仿生应变感知应变后压缩的结构示意图。

图10为仿生应变感知结构电镜照片。

图11为仿生应变感知结构裂缝电镜照片。

图12为仿生应变感知结构受力后发生应变单条裂缝的宽度变化照片。

图13为仿生应变感知结构发生应变时的弦长-电阻变化曲线图。

图14为仿生应变感知结构的灵敏系数曲线图。

其中(图3中)：1—纸质基底；2—掩膜板；3—导电墨水；4—笔刷；5—导电墨水层；6—圆柱；7—导线；8—铜箔电极；9—干涸导电墨水层。

具体实施方式

如图1所示，根据蝎子裂缝感受器切片结构的启发，得到了如图2所示的纸质基底1上的仿生应变感知结构。图1中，箭头标注处为蝎子体表坚硬的几丁质外壳，其下为蝎子柔软的皮下组织，硬质几丁质外壳被图中标注的1～7条裂缝分割，形成平行裂缝带结构。由此启发得到的仿生应变感知结构如图2所示，上层为致密坚硬的导电层，粘附于较柔软的纸质基底1上。同时，导电层上有多条平行裂缝，形成类似蝎子裂缝感受器结构的应变感知结构。其结构特点是在柔软的基底材料(纸质基底层)上印刷加工出含有多条平行裂缝(裂缝带)的硬质导电层，为非连续硬质层与柔性层的仿生刚柔耦合结构。

如图7所示，本发明之仿生应变感知结构是在纸质基底1上形成有具有条状裂缝带的导电墨水层5。仿生应变感知结构的微观结构如图10所示。

本发明之方法的具体步骤如图3、图4、图5、图6和图7所示，将掩膜板2贴附于纸质基底1纸上。掩膜板2预制的中空控制涂刷导电层的形状以及尺寸，掩膜板2的厚度用于控制涂刷导电层的厚度；同时，如有需要掩膜板2可重复利用。用笔刷4将导电墨水3涂覆于掩膜板2覆盖的纸质基底1上，进行掩膜印刷。导电墨水3由炭黑作为导电材料、纤维素作为黏度调节剂、丙烯树脂作为粘结剂，其干涸后形成致密、较纸质基底1坚硬的干涸导电墨水层9。导电墨水3成膜干涸后，将掩膜板2从纸质基底1上揭下，用半径R的圆柱6弯曲，导致干涸导电墨水层9断裂，其上有若干裂缝，形成含有条状平行裂缝带的导电墨水层5。此时含有条状裂缝带的导电墨水层5行成了与蝎子裂缝感受器类似的裂缝带仿生结构。用铜箔电极8和导线7粘贴在条状裂缝带的导电墨水层5的两端，形成了仿生应变感知结构。

当纸质基底1受力发生形变后，其上的含有条状裂缝带的导电墨水层5中的裂缝宽度发生变化，即裂缝壁的接触面积发生改变。当纸质基底1受力压缩发生如图8和图9所示的形变后，含有条状裂缝带的导电墨水层5中的裂缝壁接合，其电阻减小，由此实现了应变感知。

当采用以炭黑作为导电材料、纤维素作为黏度调节剂、丙烯树脂作为粘结剂调配成的导电墨水3，用上述方法刷涂于纸质基底1，掩膜板的厚度为0.2mm，使用半径为1mm的圆柱6弯曲后，制备的仿生应变感知结构电镜照片如图5所示，裂缝的平均间隔为290μm左右。如图11所示，裂缝穿过导电墨水层9，一直深入到纸质基底1内。当纸质基底1发生如图8和图9所示的应变后，裂缝带宽度发生变化，裂缝壁相互结合并挤压。仿生应变感知结构受力后发生应变单条裂缝的宽度变化如图12所示，可以看出裂缝宽度随着应变增大明显变小，由此推断出裂缝壁结合紧密，整体电阻变小。仿生应变感知结构发生应变时的弦长-电阻变化曲线如图13所示，纸质基底1的压缩应变程度越大，含有条状裂缝带的导电墨水层5的电阻越小。仿生应变感知结构的灵敏系数曲线如图14所示，其灵敏系数可进行分段线性拟合，最大灵敏系数可达到-647，其中负号表示受到压缩后电阻变小时的灵敏系数。

Claims (3)

1.一种仿生应变感知结构，其特征在于：是在纸质基底上形成有具有条状平行裂缝带的导电墨水层，导电墨水层致密坚硬而纸质基底疏松柔软。

2.一种权利要求1所述仿生应变感知结构的形成方法，该方法是在纸质基底上印刷一层导电墨水，导电墨水干涸后形成致密坚硬的干涸导电墨水层，然后弯曲纸质基底，干涸导电墨水层在弯曲时断裂，导致干涸导电墨水层上有若干平行裂缝，若干裂缝构成裂缝带仿生结构，干涸导电墨水层形成含有条状裂缝带的导电层，制得仿生应变感知结构；当纸质基底受力后发生应变，裂缝带仿生结构的条状裂缝的裂缝壁之间的接触程度发生变化，导致导电墨水层电阻改变，因而有应变感知功能。

3.根据权利要求2所述的仿生应变感知结构的形成方法，其特征在于：所述的导电墨水由炭黑作为导电材料、纤维素作为黏度调节剂、丙烯树脂作为粘结剂。