CN108332647A

CN108332647A - 柔性电阻式应变传感器

Info

Publication number: CN108332647A
Application number: CN201710044432.6A
Authority: CN
Inventors: 咸海杰; 曹乘榕; 赵德乾; 丁大伟; 潘明祥; 白海洋; 汪卫华
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2018-07-27
Anticipated expiration: 2037-01-19
Also published as: CN108332647B

Abstract

本发明涉及一种柔性电阻式应变传感器，包括：绝缘的柔性衬底；以及金属玻璃薄膜，作为应变敏感材料，沉积在所述柔性衬底上。本发明的柔性电阻式应变传感器因利用了金属玻璃薄膜作为应变敏感材料，故具有灵敏度高、测量应变范围大、电阻温度系数小、制备方法简单等优点，可以作为电子皮肤的基本单元，同样也在应力应变分析及其它领域有重要应用。

Description

柔性电阻式应变传感器

技术领域

本发明涉及一种应变传感器，具体来说是涉及一种以金属玻璃薄膜为应变传感材料的柔性电阻式应变传感器。

背景技术

从20世纪70年代开始，电子皮肤的概念就已经出现在很多科幻作品里，与此同时，科学家们也开始了对电子皮肤的不断探索，因为电子皮肤在智能机器人和医疗修复等领域的巨大作用前景[文献1：B.C-K.Teel,C.Wang,R.Allen and Z.N.Bao,Nat.Nanotechnol.2012,Vol.7,825.]。

电子皮肤的基本单元就是柔性应变传感器。在现有的研发中，科学家们将石墨烯、碳纳米管、金属或半导体纳米线、金属纳米颗粒、有机高分子聚合物等视为未来电子皮肤的候选材料。但是，已经了解，这些材料都存在有或多或少的缺点，强烈地限制了电子皮肤的实际应用。举例来说，用化学气相沉积方法生长的石墨烯往往会存在很多杂质和缺陷，并且，由于温度的限制，这种材料不能直接生长在柔性衬底上[文献2：J.Zhao,G.L.Wang,R.Yang,X.B.Lu,M.Cheng,C.L.He,G.B.Xie,J.L.Meng,D.X.Shi,and G.Y.Zhang,ACS Nano2015,Vol.9,1622.]。而基于量子隧穿效应的金属纳米颗粒，在其初始位置的电阻值很大，因而会造成严重的能源浪费。金属或半导体纳米线价格昂贵而且很难大面积集成。有机聚合物导电性比较差。所以，寻找合适的用做柔性应变传感器的材料迫在眉睫。

金属材料具有好的导电性，但是金属材料的弹性极限较低，制作的应变片测量范围比较小，这是金属材料在柔性应变传感器上的短板。而金属玻璃作为非晶态物质，因为没有晶界、位错等缺陷，弹性极限往往可以比金属材料大10倍[文献3：W.L.Johnson,MRS.Bulletin.1992,Vol.24,42.]。与此同时，金属玻璃的电阻温度系数小，不用通过惠斯通电桥等方法进行温度补偿。金属玻璃薄膜的电阻变化与应变之间具有好的线性关系，灵敏度因子较高，是好的应变传感材料。此外，金属玻璃薄膜还有一定的抗菌性，在医疗等领域具有应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性电阻式应变传感器，利用金属玻璃薄膜作为应变敏感材料，以克服现有技术中采用其它材料作为应变敏感材料时的诸多不足之处。

为实现上述目的，本发明提供一种柔性电阻式应变传感器，包括：

-绝缘的柔性衬底；

-金属玻璃薄膜，作为应变敏感材料，沉积在所述柔性衬底上。

在本发明的实施方式中，金属玻璃薄膜为由锆基非晶合金、钯基非晶合金、镍基非晶合金、或钯镍基非晶合金制得。

在本发明的实施方式中，所述锆基非晶合金可以是Zr_aCu_bNi_cAl_d,30≤a≤80,10≤b≤50,0≤c≤20,0≤d≤30,a+b+c+d＝100。

在本发明的实施方式中，所述锆基非晶合金可以是Cu_aZr_b,30≤a≤70,30≤b≤70,a+b＝100。

在本发明的实施方式中，所述锆基非晶合金可以是Cu_aZr_bAl_c,30≤a≤70,30≤b≤70,0≤c≤30,a+b+c＝100。

在本发明的实施方式中，所述钯基非晶合金可以是Pd_aSi_b,50≤a≤90,10≤b≤50,a+b＝100。

在本发明的实施方式中，所述钯镍基非晶合金可以是Pd_aNi_bCu_cP_d,20≤a≤60,0≤b≤20,10≤c≤50,5≤d≤35,a+b+c+d＝100。

在本发明的实施方式中，所述镍基非晶合金可以是Ni_aNb_b,40≤a≤80,20≤a≤60,a+b＝100。

在本发明的实施方式中，所述金属玻璃薄膜是通过离子束溅射、磁控溅射、脉冲激光沉积、物理气相沉积等方法沉积在柔性衬底上。

在本发明的实施方式中，所述金属玻璃薄膜的厚度在10nm和10μm之间。

在本发明的实施方式中，所述柔性衬底是由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷制得。

在本发明的实施方式中，所述衬底的厚度优选小于1mm。

本发明的柔性电阻式应变传感器，还包括：

-引线，由所述金属玻璃薄膜的两端引出，并连接至电阻测量装置上。

在本发明的实施方式中，当用两线法时，焊上两根引线；当用四线法时焊上四根引线。所述引线是直径介于2μm-2mm的铜导线、金导线、银导线或铂导线。

在本发明的实施方式中，所述引线可以直接通过导电胶粘到所述金属玻璃薄膜上；或者通过导电焊料或是沉积金属的方式接到所述金属玻璃薄膜上。

与现有技术中的柔性应变传感器相比，本发明的柔性电阻式应变传感器因利用了金属玻璃薄膜作为应变敏感材料，故具有如下的优点：

1)测量应变范围大，性能稳定性好，可重复性好，灵敏度高，电阻变化率和应变之间的有很好的线性关系；

2)弹性极限大，是普通金属或者合金的5-10倍；

3)热稳定性好，电阻温度系数低，可适用的温度范围广；

4)制备方法简单，成本低，能耗低，可以大面积集成；并且，产率高，可以做成“透明”传感器；

5)具有一定的抑制细菌生长的能力；

6)测试精度高，信号好，信噪比高；

7)除作为电子皮肤的基本单元(即，柔性应变传感器)，在应力应变分析等领域有广泛应用价值以外，还可以作为距离传感器等使用，应用领域更为广泛。

附图说明

图1是本发明制备例1中以Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的光学照片；

图2是用于测试本发明的柔性电阻式应变传感器的性能的装置示意图；

图3是用于给本发明的柔性电阻式应变传感器施加应变装置的实物照片；

图4是制备例1的以Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器对可见光的透过率随离子束沉积时间的变化规律；

图5是实施例2测试手指指关节弯曲程度的示意图；

图6是制备例1的以Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随应变的变化规律；

图7是制备例1的以Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随样品弯曲程度的变化规律；

图8是制备例1的以Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随两个滑块间距离的变化规律；

图9是制备例1的以Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻随温度的变化规律；

图10是制备例2的以Zr₅₀Cu₅₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随应变的变化规律；

图11是制备例3的以Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随应变的变化规律。

具体实施方式

本发明的柔性电阻式应变传感器是利用金属玻璃薄膜作为应变敏感材料，其可通过如下的示例性方法制备：

对于玻璃形成能力较好的非晶体系，以Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀为例，将纯度为99.99％的Zr、Cu、Ni、Al金属单质按照11:6:1:2(原子百分比)的比例用铜模吸铸的方法制作非晶合金。然后，用离子束溅射的方法将该铜模吸铸的非晶合金作为沉积靶材，通过控制沉积速率和沉积时间，将不同厚度的金属玻璃薄膜直接沉积在绝缘的柔性衬底上。

对于玻璃形成能力不好的体系，以Cu₅₀Zr₅₀为例，用铜模吸铸后得到原子百分比为1:1的Cu₅₀Zr₅₀合金。然后，用离子束溅射的方法将该铜模吸铸的合金作为沉积靶材，通过控制沉积速率和沉积时间，将不同厚度的金属玻璃薄膜直接沉积在绝缘的柔性衬底上。

当测试该柔性应变传感器性能的时候，需要在传感器上粘结电极，可直接用导电胶粘上、或用锡焊焊接上两根引线(用于两线法测电阻)或四根引线(用于四线法测电阻)。

制备例1：制备以Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器

将纯度为99.99％的Zr、Cu、Ni、Al金属单质按照11:6:1:2(原子百分比)的比例用铜模吸铸的方法制作Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀板状金属玻璃。

再以此Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀板状金属玻璃(非晶合金)作为沉积靶材，通过离子束沉积的方法(沉积时离子能量为750eV，粒子束流为30mA，沉积时间为3600s)，在提前清洁过的厚度为0.1mm的聚碳酸酯柔性衬底上沉积出厚度为350nm的Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀的金属玻璃薄膜，制得柔性电阻式应变传感器I。

该柔性电阻式应变传感器I的光学照片如图1所示。该传感器可以被轻松得弯曲超过180度，说明有很好的柔性。

该柔性电阻式应变传感器I对可见光的透射率随离子束沉积时间的变化规律如图4所示。也就是说，通过控制薄膜的沉积时间，可以制作不同透光率的传感器。当金属玻璃薄膜的厚度约为10nm(如曲线1所示)时，柔性电阻式应变传感器可以变得几乎透明，如图4所示。

如图2、图3所示，对本发明的柔性电阻式应变传感器的性能进行测试。其中，图2是用于测试本发明的柔性电阻式应变传感器的性能的装置示意图，图3是用于给本发明的柔性电阻式应变传感器施加应变装置的实物照片。

通过如图3所示的夹具控制应变，该夹具由不锈钢底座、弹簧、可移动的聚四氟乙烯滑块、螺旋测微器和螺丝螺栓等构成，通过滑块的位置来控制施加给样品的应变大小，应变的大小可以由螺旋测微器的读数给出。

电阻变化可用四线法(四根铜导线)测量。

同时测量本发明的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率与应变，具体过程如下：

1)将本发明的柔性电阻式应变传感器水平放置并固定在夹具上，如图3所示；

2)将四根铜导线(铜丝电极)中最外侧的两根连接到吉时利2400直流电源上，且将内侧的两根铜导线(铜丝电极)连接到吉时利183电压表上；

3)打开吉时利2400和吉时利183的电源，其中吉时利2400的输出电流设置为10μA；

4)打开数据采集系统电源；

5)通过图3所示的夹具的螺旋测微器精确地控制样品(本发明的柔性电阻式应变传感器)的弯曲程度，并用电脑记录数据；

6)测试结束，依次关闭数据采集系统，吉时利2400直流电源，吉时利183电压表。

该柔性电阻式应变传感器I的电阻变化率随应变的变化规律如图6所示。图6a是柔性应变传感器的电阻变化率与施加应变之间的关系，其中的插图是测量得到的应变传感器的电压和电流之间的关系，可以看出它符合很好的欧姆定律。6b是对该柔性应变传感器施加多次循环并实时测量的结果。6c是1000次弯曲循环测试后的结果。

由图6a可以看出，本发明的柔性电阻式应变传感器I的灵敏度系数为2.86，比现有技术中报道的金属玻璃纤维提高了约30％；并且，本发明的柔性电阻式应变传感器I的电阻变化率和应变之间有很好的线性关系。

此外，本发明的基于金属玻璃薄膜的柔性电阻式应变传感器具有很好的稳定性和可重复性如图6b所示，几乎没有回滞现象。经过1000次测试后无论是灵敏度系数还是电阻变化量与应变之间的线性都得到了很好的保持，如图6c所示。

该柔性电阻式应变传感器I的电阻变化率随样品弯曲程度的变化规律如图7所示。由图7可以看出当柔性应变传感器在外力作用下被弯曲时，相应的电阻值也会随之增加，并且电阻的变化率与弯曲的角度成正比。该柔性电阻式应变传感器I的电阻变化率随两个滑块间距离的变化规律如图8所示。由图8可以看出传感器的电阻值随着滑块之间距离的增加而增，并且两者之间有很好的线性关系。因此，该柔性传感器可以用来测量元器件的弯曲程度和作为距离传感器使用。

如图9所示，用PPMS测量的电阻温度系数为9.04×10^-6K^-1，只有现有技术中所报道的金属玻璃纤维的十分之一，比商用的箔式应变传感器小2个数量级，具有很好的热稳定性。

制备例2：制备以Zr₅₀Cu₅₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器

选用铜模吸铸后、成分为Zr₅₀Cu₅₀的金属合金作为沉积靶材，通过离子束沉积的方法(沉积时离子能量为750eV，粒子束流为30mA，沉积时间为600s)，在提前清洁过的厚度为0.1mm聚碳酸酯柔性衬底上沉积出厚度为60nm的Zr₅₀Cu₅₀金属玻璃薄膜，制得柔性电阻式应变传感器II。

传感器II电阻变化率与应变之间关系的测试过程与传感器I相同。测量结果如图10所示，该柔性应变传感器的电阻随应变的增大而增大，并且电阻变化率与应变之间有很好的线性关系，所得到的灵敏度系数约为1.5。

制备例3：制备以Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器

选用成分为Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀的金属玻璃(非晶合金)作为沉积靶材，通过离子束沉积的方法(沉积时离子能量为750eV，粒子束流为30mA，沉积时间为600s)，在提前清洁过的厚度为0.1mm聚碳酸酯柔性衬底上沉积出厚度为60nm的Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀金属玻璃薄膜，制得柔性电阻式应变传感器Ⅲ。

传感器Ⅲ电阻变化率与应变之间关系的测试过程与传感器I相同。测量结果如图11所示，该柔性应变传感器的电阻随应变的增大而增大，并且电阻变化率与应变之间有很好的线性关系，所得到的灵敏度系数约为2.5。

实施例1

1)用导电银胶将四个直径为0.2mm铂电极粘在制备例1中所制得的以Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器I的金属玻璃薄膜表面，制得样品I，备用；

2)将待测样品表面用酒精擦拭清洁干净；

3)在待测样品表面涂上一层环氧胶；

4)将步骤1)中制得的样品I粘在步骤3)中环氧胶上，且使得柔性电阻式应变传感器的方向沿着待测样品发生弯曲的方向。

实施例2

1)用导电银胶将四个直径为0.2mm铂电极粘在制备例2中所制得的以Zr₅₀Cu₅₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器II的金属玻璃薄膜表面，制得样品II，备用；

2)将手指清洁，并擦干；

3)在手指的指关节的背面贴上一层双面胶；

4)将步骤1)中制得的样品II籍由步骤3)的双面胶粘在所述指关节的背面，且使得柔性电阻式应变传感器的方向沿着手指弯曲的方向，如图5所示。

实施例3

1)将待测样品表面用酒精擦拭清洁干净；

2)在待测样品表面涂上一层环氧胶；

3)将制备例1中所制得的以Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器I粘在步骤2)中环氧胶上，且粘在步骤3)中环氧胶上，沿着样品弯曲的方向；

4)按照四线法测电阻的方法，用导电银胶将四根铂电极粘在步骤3)的柔性电阻式应变传感器I的表面。

实施例4

1)将制备例1中所制得的以Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器I裁出一长度为30mm、宽度为5mm样品，并水平放置在两个滑块中间；

2)水平地移动滑块，改变滑块的距离。

该柔性电阻式应变传感器I的电阻变化率随两个滑块间距离的变化规律如图8所示。由图8可以看出传感器的电阻值随着滑块之间距离的增加而增，并且两者之间有很好的线性关系。因此，该柔性传感器可以作为距离传感器使用。

此外，对本发明的柔性电阻式应变传感器进行抗菌测试。按照GB/T 31402(2015)的国家标准将大肠杆菌培养48h后，本发明的柔性电阻式应变传感器Ⅰ表现出明显的抑制细菌生长的能力，得到的抗菌率为73％，使得该传感器在医疗器械等方面有潜在的应用价值。

此外，该本发明的柔性电阻式应变传感器还具有易加工、成本低、有好的耐磨性和耐腐蚀性等特点，使得该基于金属玻璃薄膜的柔性电阻式应变式传感器可以作为电子皮肤的基本单元，同样也在其它领域有重要应用。

Claims

1.一种柔性电阻式应变传感器，包括：

-绝缘的柔性衬底；

2.如权利要求1所述的柔性电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃薄膜为由锆基非晶合金、钯基非晶合金、镍基非晶合金、或钯镍基非晶合金制得。

3.如权利要求2所述的柔性电阻式应变传感器，其中，

所述锆基非晶合金为Zr_aCu_bNi_cAl_d,30≤a≤80,10≤b≤50,0≤c≤20,0≤d≤30,a+b+c+d＝100；Cu_aZr_b,30≤a≤70,30≤b≤70,a+b＝100；或Cu_aZr_bAl_c,30≤a≤70,30≤b≤70,0≤c≤30,a+b+c＝100；

所述钯基非晶合金为Pd_aSi_b,50≤a≤90,10≤b≤50,a+b＝100；

所述钯镍基非晶合金为Pd_aNi_bCu_cP_d,20≤a≤60,0≤b≤20,10≤c≤50,5≤d≤35,a+b+c+d＝100；

所述镍基非晶合金为Ni_aNb_b,40≤a≤80,20≤a≤60,a+b＝100。

4.如权利要求1所述的柔性电阻式应变传感器，其中所述金属玻璃薄膜是通过离子束溅射、磁控溅射、脉冲激光沉积、或物理气相沉积的方法沉积在所述柔性衬底上。

5.如权利要求1所述的柔性电阻式应变传感器，其中所述金属玻璃薄膜的厚度在10nm和10μm之间。

6.如权利要求1所述的柔性电阻式应变传感器，其中所述柔性衬底是由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷制得。

7.如权利要求1所述的柔性电阻式应变传感器，其中所述柔性衬底的厚度为小于1mm。

8.如权利要求1所述的柔性电阻式应变传感器，还包括：

9.如权利要求8所述的柔性电阻式应变传感器，其中所述引线是直径介于2μm-2mm的铜导线、金导线、银导线或铂导线。

10.如权利要求8所述的柔性电阻式应变传感器，其中，所述引线是直接通过导电胶粘到所述金属玻璃薄膜上；或者通过导电焊料或是沉积金属的方式接到所述金属玻璃薄膜上。