CN108387249B - 超高灵敏仿生柔性纳米传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性传感器，具体是一种超高灵敏仿生柔性纳米传感器，解决了现有传感器二维高灵敏、高柔性探测问题。包括柔性弹性基底和导电金属薄膜层，其中紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯组成弹性基底，采用溅射沉积金属镍形成金属薄膜层，金属薄膜层上通过机械弯曲金属层形成呈十字排列的两条裂缝，裂缝十字交叉中心圆形凹槽，并将两条裂缝分成四条独立裂缝。施加电压时，裂缝是电流通道的主要电阻来源。外界引起金属层裂缝的变形，通过检测裂缝断开‑连接过程中引起的电流通道中镍电阻的变化实现机械信号的高灵敏探测，十字型裂缝实现二维方向高灵敏探测。可用于检测声音、心率等微小振动信号，在医学检测、微振动检测等领域有广泛的应用前景。

Description

超高灵敏仿生柔性纳米传感器

技术领域

本发明涉及一种柔性传感器，具体是一种超高灵敏仿生柔性纳米传感器。

背景技术

由于柔性传感器具有轻、薄、柔的便携式、可折叠、可穿戴的特点，在自动控制、医学诊断、机器人、柔性电子，甚至人工器官、人机交互、可穿戴交互设备等领域广泛应用。柔性触觉传感器的应用使得机器人对外界的接触做更加灵敏的感知，对物体进行更加灵巧的操控。而器件灵敏度，体现了对外界微弱信号的探测能力，可以极大的拓展器件的研究领域，因此器件的灵敏度至关重要。

相关科研机构研究使用新型聚合物材料以及纳米材料、引入微纳尺度结构等方法和手段提升柔性传感器灵敏度等指标，器件在性能上不断提高，应用领域也不断拓展。但是，总的来说，该类器件的研究还在结构设计，性能指标，应用领域和加工工艺方面存在很多不完善之处，需要更进一步的研究和分析。电容式柔性压力传感器可实现较宽量程范围内的高灵敏探测，但是杂质和其他污染物可能导致介电常数的变化并影响传感器的性能，而且结构较为复杂，制造成本高，可延展性受限；压电式传感器可提供更高的灵敏度，但不能测量静态负载，价格昂贵，结构设计较困难，因此实现多点测量的技术难度较大，导致其很难在大面积场合实际应用；基于导电橡胶的电阻式压力传感器性能不稳定，在低压区显示出大的滞后和低灵敏度，不能同时满足高灵敏、高柔性和耐用性，限制了其实际工程应用，不能满足智能化信息时代的发展需求。因此开发一种多维超高灵敏度、高柔性和耐用性的多功能传感器非常有必要。

发明内容

本项目为了解决现有柔性传感器存在的多维高灵敏探测问题和高柔性问题，受蜘蛛缝感受器几何形状及其振动感知机理启发，提出一种结构简单，高柔性，高灵敏度的十字型纳米级导电裂缝结构的柔性力敏传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种超高灵敏仿生柔性纳米传感器，包括柔性弹性基底、导电金属薄膜层，导电金属薄膜层上设有十字形金属薄膜裂缝，所述的裂缝位置处下方的柔性弹性基底上也设有基底裂缝，十字形金属薄膜裂缝的交叉位置为圆形凹槽，圆形凹槽底部位于柔性弹性基底上。

其中柔性弹性基底（1）由紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯制备形成。导电金属薄膜层（2）采用溅射沉积金属镍制成。十字形金属薄膜裂缝和相应的基底裂缝采用机械弯曲形成呈十字排列的两条裂缝。柔性弹性基底几何尺寸为长10mm×宽10mm×厚10μm。导电金属薄膜层（2）厚度为20nm。十字形金属薄膜裂缝和相应的基底裂缝总深度为40-50nm。

超高灵敏仿生柔性纳米传感器的制备过程是，以聚氨酯丙烯酸酯为加工材料，由紫外光固化加工形成的方形的柔性弹性基底，方形柔性弹性基底上通过溅射沉积技术加工形成金属镍薄膜层，金属镍层上通过采用机械弯曲金属层形成两条呈十字交叉排列裂缝，每条裂缝穿透金属镍薄膜层延伸至聚氨酯丙烯酸酯柔性基底，以两条裂缝十字交叉中心点为圆心，在金属薄膜层腐蚀出圆形的凹槽，以此将金属薄膜层两条裂缝分成独立不互联的四条裂缝，减小横向耦合。在金属薄膜层四个端面施加电压时，电流只通过金属层，分别对应的裂缝是电流通道的主要电阻来源，四条呈十字排列的裂缝组成可同时测量X方向和Y方向的测量电路。

本发明以镍薄膜层模仿蜘蛛缝感受器的硬外骨骼，聚氨酯丙烯酸酯柔性基底模仿柔性垫。当有信号（应力、应变、振动等）作用于器件时，就会引起硬金属层裂缝的变形，拉链状裂缝结构的断开和连接过程中，金属镍片之间的侧向接触面积发生改变，在施加电压的情况下，镍片之间的这种侧向接触允许电流在裂缝中流动，确保了即使镍片之间的间隙增加时也能够实现导电性，器件的导电性与镍片之间的总接触面积成比例，同样和变形程度相关，即电流通道中镍电阻的变化和变形程度相关，通过检测由于裂缝断开-连接过程造成的电流通道中镍电阻的变化就可以实现振动和力等机械信号的高灵敏探测。所述紫外线固化、溅射沉积加工工艺是现有公知技术。

本发明采用呈十字排列的四条裂缝结构，可实现二维方向的超高灵敏探测。

与现有技术相比，本发明模仿蜘蛛缝感受器的工作原理实现对应变或振动等机械信号的探测，在二维矢量探测、超高灵敏和高柔性上具有绝对优势；本发明敏感机械信号的微结构采用十字型裂缝结构，结构简单，极具新颖性，易于加工，成本低，主要加工工艺包括紫外光固化PUA涂层、金属镍薄膜淀积和机械弯曲形成裂缝等，均是当前现有技术；本发明所述十字型裂缝敏感微结构基于金属电阻原理，性能稳定，功耗低；本发明所述裂缝敏感结构中的单裂缝结构输出具有良好的“8”字形矢量指向性，在8字形的头部有最大的灵敏度，在腰部灵敏度较小，可以抑制横向噪声信号，抗干扰能力强；本发明所述十字型裂缝敏感结构可以实现二维方向的超高灵敏检测。

本发明主要研究敏感基础结构的设计和实现新方法，结构简单、新颖，超高灵敏度、功耗低、具有良好的“8”字形指向性，加工成本低，可实现二维方向超高灵敏探测，以其生产加工的柔性力敏传感器可用于检测声音、心率等微小振动信号，应用范围广，在自动控制、医学诊断、微振动检测、柔性电子，甚至人工器官、人机交互、可穿戴交互设备等领域中有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明超高灵敏仿生柔性纳米传感器结构示意图；

图2 为本发明单输出裂缝传感示意图；

图3为十字型裂缝式微结构纳米级裂缝拉伸变形示意图；

图4为十字型裂缝式微结构裂缝边缘匹配图；

图5为本发明纳米级裂缝面位移示意图；

图6 为本发明利用ABAQUS有限元仿真施加载荷方向示意图；

图7 为本发明利用ABAQUS有限元仿真不同应变下的裂缝界面变形云图；

图8 为本发明裂缝的中间长度的相对面位移随几何参数变化图；

图9为本发明直角坐标系中单裂缝方向灵敏度；

图10为本发明极坐标系中单裂缝方向灵敏度；

图11为本发明不同应变下的裂缝宽度变化SEM图。

具体实施方式

如图1-2所示，超高灵敏仿生柔性纳米传感器，包括以聚氨酯丙烯酸酯为加工材料，由紫外光固化加工形成的方形的柔性弹性基底1，方形的柔性弹性基底1上采用溅射沉积金属镍加工形成导电金属薄膜层2，导电金属薄膜层2上通过采用机械弯曲金属层形成两条呈十字交叉排列裂缝，每条裂缝穿透导电金属薄膜层2延伸至聚氨酯丙烯酸酯柔性基底1形成基体裂缝8，以两条裂缝十字交叉中心点为圆心，在金属薄膜层腐蚀出圆形的中心凹槽3，以此将金属薄膜层两条裂缝分成独立不互联的四条裂缝4-7，减小横向耦合。在金属薄膜层四个端面分别施加电压时，电流只通过金属层，分别对应的裂缝是电流通道的主要电阻来源，四条呈十字排列的裂缝组成可同时测量X方向和Y方向的测量电路。

本发明利用器件在受到应变或振动时，拉链状裂缝结构的断开和连接过程所引起的金属镍电阻的变化，实现高灵敏探测；通过两条裂缝十字排列结构实现二维方向的高灵敏探测；采用聚氨酯丙烯酸酯柔性基底实现其高柔性和可穿戴性。

裂缝断开连接过程中电导变化，可用应变表示的归一化公式S=R₀/R表示：

（1）

其中

和

是拟合参数，

是误差函数。即，当有机械振动施加到传感器时，相关联的振动运动周期性的拉伸和压缩系统，引起裂缝的断开和连接，进而引起金属镍薄膜层电阻的变化，施加电压后，就可根据电流输出实现信号检测。

裂缝变形程度直接影响传感器灵敏度，因此，对本发明所述裂缝结构进行有限元仿真，定量研究裂缝长宽比、几何形状、长度、裂缝中心线几何形状以及载荷方向等参数对裂缝变形的影响，根据仿真结果确定并优化裂缝形状和几何尺寸；仿真不同方向载荷下的裂缝变形，分析裂缝不同方向灵敏度。

初步确定微结构尺寸：本发明聚氨酯丙烯酸酯柔性基底几何尺寸为10mm×10mm×10μm（长×宽×厚），导电金属镍薄膜层厚度为20nm，裂缝穿透导电金属薄膜层延伸到聚氨酯基底层，总深度40-50nm。利用ABAQUS有限元分析软件建立仿真模型，进行仿真分析。定义裂缝面位移D_c为未变形状态下裂缝中间长度的两个点之间的距离（D_c = W₀-W）变化，或者是裂缝宽度变化（D_c＇= W₀-W＇），如图5所示。

首先，仿真分析不同几何尺寸裂缝在受轴向应变情况下的变形情况，以进一步优化结构几何参数。利用ABAQUS有限元分析软件，计算在单轴向压缩远场载荷下单个裂缝中心处的相对狭缝面位移。建立没有固定绝对长度标度的有限元模型，使得裂缝大小可任意缩放。在y方向以规定的均匀远场面内单轴压缩应变的形式施加载荷。附图7为利用有限元仿真不同应变拉力下的裂缝界面变形，可以看到随着应变拉力的增加，裂缝间隙在增大，变形更明显。附图8为裂缝的中间长度的相对面位移随长宽比的变化，可看出受长宽比影响较小（在10-100范围内）。

其次，仿真不同方向载荷下的裂缝变形情况，分析裂缝不同方向灵敏度。沿不同方向以规定的均匀远场面内单轴压缩应变的形式施加载荷，计算在单轴向压缩远场载荷下单个裂缝中心处的相对狭缝面位移。附图9-10为单裂缝方向灵敏度，可看出在极坐标中面位移变化呈现“8”字型，且最大面位移发生在裂缝轴线垂直方向。

超高灵敏仿生柔性纳米传感器加工工艺流程主要步骤如下：1）紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯（PUA）。首先在50μm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基片上滴加20μl聚氨酯丙烯酸酯前体，并用平坦的硅片覆盖该膜，接着进行350nm紫外（UV）曝光（约360mJ/cm²）；2）采用阴影掩膜，溅射沉积形成20-100nm厚的图形化的金属镍薄膜层；3）将样品以3mm曲率弯曲形成裂缝。

Claims (4)

1.一种超高灵敏仿生柔性纳米传感器，其特征在于：包括柔性弹性基底（1）、导电金属薄膜层（2），导电金属薄膜层（2）上设有十字形金属薄膜裂缝，所述的裂缝位置处下方的柔性弹性基底（1）上也设有基底裂缝（8），十字形金属薄膜裂缝的交叉位置为圆形凹槽（3），圆形凹槽（3）底部位于柔性弹性基底（1）上，圆形凹槽（3）将导电金属薄膜层（2）两条裂缝分成独立的四条裂缝（4、5、6、7），所述的柔性弹性基底（1）几何尺寸为长10mm×宽10mm×厚10μm，所述的导电金属薄膜层（2）厚度为20nm， 所述的十字形金属薄膜裂缝和相应的基底裂缝总深度为40-50nm。

2.根据权利要求1所述的超高灵敏仿生柔性纳米传感器，其特征在于：柔性弹性基底（1）由紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯制备形成。

3.根据权利要求1所述的超高灵敏仿生柔性纳米传感器，其特征在于：导电金属薄膜层（2）采用溅射沉积金属镍制成。

4.根据权利要求1所述的超高灵敏仿生柔性纳米传感器，其特征在于：十字形金属薄膜裂缝和相应的基底裂缝采用机械弯曲形成呈十字排列的两条裂缝。

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