CN108444377B - 基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器及其制备方法，柔性应变传感器包括柔性基底，柔性基底上预制有规则裂纹结构；溅射镀膜在柔性基底上的导电层；一对铜片电极，以及两引出铜线，电极位于导电层的两端，柔性基底是采用柔性聚合物制成的薄膜。本发明采用溶剂诱导法首先在聚苯乙烯培养皿上盖的内表面预制放射状规则裂纹阵列，再通过二次模板法将结构转移到PDMS柔性基底上，如此，裂纹在柔性基底的形成就不是通过破坏材料性质的方式，起到了保护材料的作用。该制备方法简单、成本低、可大面积制备。基于这种规则裂纹阵列的柔性应变传感器具有稳定性好、灵敏度高等优点，于可穿戴电子、智能机器人等领域。

Description

基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及应变传感器制造领域，具体涉及一种具有规则微米裂纹阵列结构的柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

应变传感器是将待测对象的受力及形变转化为电信号的一种传感器。随着现代化技术的进步以及人工智能的飞速发展，应变传感器无论是在工业还是在人们的日常生活中都发挥着极其重要的作用。实现应变传感器性能的更优化，制备方法简单高效化，以及成本最低化，是未来应变传感器蓬勃发展的趋势。

柔性应变传感器是一种具备可弯曲拉伸或收缩性特性的传感元件，在人体健康及运动监测、智能机器人、人机交互设备、医疗器械、智能家居设备等领域存在潜在应用价值，需求十分广泛，从而越来越受到人们的关注。在这些实际需求中，是否具备高灵敏度、高稳定性等是决定柔性应变传感器能否面向实际应用的重要因素。而目前提高柔性应变传感器灵敏度的方法可概括总结为两种：一是选择具备优异的电传导及优良机械性能的功能材料，如碳纳米管，石墨烯，纳米金属银线等；二是通过制备工程结构来助力传感器的性能，目前报道的工程结构包括交错、机织、逾渗、裂纹等。但是这些具有优异电传导性能的材料往往制备不易，价格昂贵，因此受限于实际应用。而在工程结构中，制备裂纹结构相比其它几种结构对提高柔性应变传感器的性能更有效。基于裂纹式的柔性应变传感器的工作原理为：柔性基底在外部微弱载荷的作用下产生形变，使得柔性基底表面的裂纹两壁间的间距发生变化，进一步导致裂纹的两壁上导电材料的接触状态发生变化，最终引起导电层的电阻值发生改变。目前针对基于微纳米尺度裂纹结构研发的电阻式柔性应变传感器已有大量相关文献报道，在这些报道中裂纹结构的产生方式主要分为以下几种：

1、以弯曲撕裂的方式在功能材料表面形成不规则不可控的随机裂纹；

2、以预拉伸/释放的方式在功能材料表面形成随机不可控裂纹；

3、以光刻或激光雕刻方法破坏功能材料表面从而形成尺寸较大、较规则的裂纹。这几种方法均是以破坏材料自身结构的方式来实现裂纹的产生，且前两种方法裂纹很难实现规则可控。材料本身结构的破坏将使得裂纹容易进一步扩展，最终引起材料发生断裂失效，严重影响传感器的正常使用寿命。且不规则随机裂纹的不可控将为后期传感器的大批量大面积生产、性能参数统一化标定等带来很大的麻烦。因此，一种基于表面规则裂纹结构的应变传感器及其低成本、简易的制备方法，对于实现其商业化大面积应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有柔性应变传感器加工困难、技术要求高等缺点，提供一种基于规则裂纹阵列结构的柔性应变传感器，所得的柔性应变传感器具有非常高的灵敏系数以及很好的稳定性，其在人体关节运动方面监测精准。同时，这种柔性应变传感器的制备方法简易，生产成本低，可实现大面积生产。这里所说的规则主要表现为裂纹呈现直线状，各裂纹单元呈现几何尺寸均匀一致。

本发明之基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器，包括：

柔性基底，所述柔性基底上预制有规则裂纹结构；

溅射镀膜在柔性基底上的导电层；

一对铜片电极，以及两引出铜线，电极位于导电层的两端。

所述的柔性基底是采用柔性聚合物制成的薄膜。

进一步，所述柔性聚合物选自：环氧树脂、热塑性聚氨酯(TPU)、聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯型嵌段共聚物(SEPS)、天然橡胶 (NR)、丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)、异戊橡胶(IR)、硅橡胶(Q)、氯丁橡胶(CR)、丁基橡胶(IIR)、丁腈橡胶(NBR)、乙丙橡胶(EPM)、氟橡胶(FPM)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、二烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体(TPAE)或热塑性硫化橡胶(TPV)中的至少一种。

优选的柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

本发明之基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)首先是获得具有规则裂纹阵列结构的模板：利用聚苯乙烯材料受应力易开裂的特点，选择生物实验室中常见的用于细胞培养的带盖聚苯乙烯(PS) 培养皿作为裂纹阵列的发生前体；所用的PS培养皿为圆形不分格，带三小白卡，表面无划横的合格样品。

2)使用无水乙醇，将无水乙醇注入PS培养皿中，盖上上盖，放在加热台上加热，加热温度不超过PS的玻璃转化温度。

3)加热后取下PS培养皿，PS培养皿的上盖出现直线形规则裂纹阵列，这种阵列整体呈现放射状，但在小区域内各裂纹相互平行。

本发明中，在PS培养皿上盖产生规则裂纹的原理是：聚苯乙烯(PS) 是一种主链为饱和碳链，侧基为共轭苯环组成的高分子聚合物。分子链结构的不完整增大了分子的刚性，使得PS成为非结晶性的线型聚合物。由于分子链的刚性，PS容易引起应力开裂。PS的这种受应力易开裂恰好可以用来制备有序规则裂纹阵列。采用溶剂诱导法在PS培养皿上盖的内表面制备规则裂纹阵列，选取无水乙醇作为有机诱导溶剂。当加热盛有一定体积无水乙醇的带盖PS培养皿时，液态的无水乙醇将受热转化为乙醇蒸汽，当乙醇蒸汽接触到培养皿上盖的内表面时，因培养皿上盖的内外表面存在温度梯度(加热温度> 室内温度)，乙醇蒸汽将在培养皿上盖的内表面冷凝成一层液态乙醇薄膜。乙醇受热分子运动加剧，渗透到PS分子网格中，在PS培养皿上盖内表面下方形成一层膨胀层。当液态无水乙醇完全蒸发时，膨胀层中被吸收的乙醇将受热溢出挥发。此时PS培养皿上盖内表面发生收缩，产生表面张力并逐渐增大。当表面张力克服分子链间的范德华力时，裂纹将在内表面产生。单轴线型的 PS分子链分布将使得裂纹呈直线向远端传播。当膨胀层中被吸收的乙醇分子完全释放时，裂纹停止增长。至此PS上盖内表面上得到了规则的线型裂纹阵列。但是由于PS培养皿是通过注塑成型的方式加工生产，在PS培养皿上盖的边缘发现存在很明显的人工缺陷点。缺陷点的存在使得应力在此集中，更易诱发裂纹在缺陷点处产生。因此在PS培养皿上盖的内表面呈现放射状的线型裂纹阵列。

4)选择另一种柔性聚合物作为中间过渡模板，制备表面具有反结构的薄膜。

进一步，上述方法中，选择的另一种柔性聚合物为环氧AB胶。

5)选择柔性基底PDMS作为最终规则裂纹阵列结构的承载体，将PS培养皿上盖内表面的裂纹阵列复制转移到PDMS表面。

进一步，所述柔性基底的厚度≈200um。表面裂纹单元的宽度与深度均在微米级。

6)在具有放射状规则裂纹阵列结构的柔性基底表面溅射涂覆一层50nm 厚的黄金纳米金属粒子导电层。

7)接上电极导电线，接入测量电路进行性能参数测定。

本发明的有益效果：

现有的柔性应变传感器的制备工艺复杂，灵敏度普遍较低，所用的材料昂贵，成本较高。而本发明采用溶剂诱导法首先在聚苯乙烯培养皿上盖的内表面预制放射状规则裂纹阵列，再通过二次模板法将结构转移到PDMS柔性基底上，这样一来裂纹在柔性基底的形成就不是通过破坏材料性质的方式，起到了保护材料的作用。另外，这种制备方法简单、成本低、可大面积制备。基于这种规则裂纹阵列的柔性应变传感器具有稳定性好、灵敏度高等优点，于可穿戴电子、智能机器人等领域。

附图说明

图1为本发明制备的基于规则裂纹阵列结构的柔性应变传感器示意图。

图2为本发明制备的PS培养皿上盖内表面具有放射状规则裂纹阵列结构示意图。

图3为本发明的PS培养皿上盖内表面放射状规则裂纹阵列结构超景深图片。

图4为本发明柔性基底PDMS上规则裂纹阵列SEM图像。

图5为本发明柔性基底PDMS上裂纹单元的几何尺寸表征AFM图像。

图6为本发明制备的柔性应变传感器在拉伸状态下的时间-电阻变化 (ΔR/R₀)曲线。

图7为本发明制备的柔性应变传感器在压缩状态下的时间-电阻(ΔR/R₀) 变化曲线。

图8为本发明制备的柔性应变传感器在循环拉伸状态下的时间-电阻变化(ΔR/R₀)曲线。

图9为本发明制备的柔性应变传感器在循环压缩状态下的时间-电阻变化(ΔR/R₀)曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明制备的基于规则裂纹阵列结构的柔性应变传感器包括：经喷金处理、具有规则裂纹阵列结构的柔性薄膜1、电极2和导线3。

实验过程中使用100％浓度无水乙醇、φ90mm带盖聚苯乙烯(PS)培养皿、精确控温加热台。

首先是获得具有放射状规则裂纹阵列的PS培养皿上盖内表面。

步骤1.将加热台温度设置到80℃，开始升温直到预设值。室内温度20℃保持恒定；

步骤2.往PS培养皿中加入体积为2ml的无水乙醇溶液，合上PS培养皿上盖后，放置在加热台上加热，开始计时；

步骤3.经过8h加热后，将培养皿从加热台取下；

获得具有规则裂纹阵列结构的PS培养皿后，如图2和图3所示，其次是将这种规则裂纹阵列转移到PDMS薄膜表面。

步骤1.将环氧AB胶中的A、B组分先在各自的容器内充分搅拌均匀，再按3:1的质量配比准确称量，两组分混合后充分搅拌均匀，旋涂机将混合液低速旋涂在PS培养皿上盖的内表面，并用真空泵进行5～10分钟的脱气处理，烘箱70℃加热两小时后取出，从PS培养皿上盖剥离固化的环氧AB胶，得到含有反结构的环氧薄膜模板；

步骤2.将有机硅PDMS的前体与固化剂按10:1的重量比混合均匀，旋涂机将混合液低速旋涂在环氧薄膜模板上，并用真空泵进行1小时的脱气处理，再于烘箱中70℃加热2小时后取出；

步骤3.剥离固化的PDMS薄膜(厚度为200um)，置于金相显微镜下观察裂纹，选取合适区(裂纹平行度等优良区域)，进行裁切，尺寸为40mm×10mm。

最后是基于微米尺度裂纹阵列的柔性应变传感器制备。

步骤1.对最终的PDMS薄片进行离子溅射镀膜处理，喷涂50nm厚的纳米黄金粒子导电层；

步骤2.对制得的微米裂纹阵列薄片进行扫描电子显微镜，如图4所示，原子力显微镜观察，如图5所示，表征其表面裂纹形态，裂纹宽度约4um，深度约2um；

步骤3.在喷金后的PDMS薄膜两端粘上铜箔电极2，引出铜导线3，接入测量电路，测试其作为柔性应变传感器的传感参数。

基于裂纹式柔性应变传感器的灵敏系数曲线如图6和图7所示。分别在弯曲拉伸及弯曲压缩状态下多次测量不同形变下电阻相对变化值的大小，曲线可通过分段拟合，曲线的斜率即是灵敏系数值(GF)的大小，最大可达 5888.59(Δε≤2％)。并且经过循环拉伸与拉伸测试后，从图8、图9中可以看出，电阻变化十分稳定，说明该传感器拥有高灵敏度和高稳定性的特点，经历50次循环后，试样的电阻初始值基本不变，说明其拥有较为优异的耐用性。

Claims (3)

1.基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器的制备方法，基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器包括：

柔性基底，所述柔性基底上预制有规则裂纹结构；

溅射镀膜在柔性基底上的导电层；

一对铜片电极，以及两引出铜线，电极位于导电层的两端；

所述的柔性基底是采用柔性聚合物制成的薄膜；

其特征在于：制备方法包括以下步骤：

1)首先是获得具有规则裂纹阵列结构的模板：利用聚苯乙烯材料受应力易开裂的特点，选择生物实验室中常见的用于细胞培养的带盖聚苯乙烯(PS)培养皿作为裂纹阵列的发生前体：所用的PS培养皿为圆形不分格，带三小白卡，表面无划横的合格样品；

2)使用无水乙醇，将无水乙醇注入PS培养皿中，盖上上盖，放在加热台上加热，加热温度不超过PS的玻璃转化温度；

3)加热后取下PS培养皿，PS培养皿的上盖出现直线形规则裂纹阵列，这种阵列整体呈现放射状，但在小区域内各裂纹相互平行；

4)选择另一种柔性聚合物作为中间过渡模板，制备表面具有反结构的薄膜；

5)柔性基底的材质以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为最终规则裂纹阵列结构的承载体，将PS培养皿上盖内表面的裂纹阵列复制转移到聚二甲基硅氧烷表面；

6)在具有放射状规则裂纹阵列结构的柔性基底表面溅射涂覆一层50nm厚的黄金纳米金属粒子导电层；

7)接上电极导电线，接入测量电路进行性能参数测定。

2.根据权利要求1所述的基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：步骤4)中，所述的另一种柔性聚合物为环氧AB胶。

3.根据权利要求1所述的基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：步骤5)中，所述柔性基底的厚度为200um；表面裂纹单元的宽度与深度均在微米级。