CN108507455A - 一种多功能柔性传感器、制作方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能柔性传感器，包括柔性本体以及设置在柔性本体两端的连接电极，其特征在于，所述柔性本体包括含微流道的柔性基底以及填充在柔性基底微流道内的液态金属。本发明同时公开了上述多功能柔性传感器的制备方法和应用。本发的多功能柔性传感器能够测量拉伸、径向膨胀以及各种方向的弯曲变形，使用寿命长、可靠性高而且结构和制造工艺简单，成本低，为可穿戴设备、柔性机器人等提供了一种柔性、成本低廉的多功能传感器。

Description

一种多功能柔性传感器、制作方法及应用

技术领域

本发明涉及多功能传感器技术，具体涉及一种多功能柔性传感器、制作方法及应用。

背景技术

随着电子信息产业，特别是柔性电子器件的不断发展，人们对传感器的需求也在不断增加。与传统的刚性传感器不同，柔性传感器能够紧密贴合在被测物体表面，并随其发生各种拉伸、弯曲变形而不影响检测精度，因此其能够适应更多复杂的工作场合，得到了研究人员和使用者的青睐。

变形传感器是柔性机器人、可穿戴设备等应用领域的一类关键传感器。通过在人类假肢或机器人上贴附相应柔性传感器及传感系统，实现对自身状态以及外界环境的感知，获得多自由度的超级操控。

在变形测量中，弯曲度由于其变形程度较大且变形情况相对复杂，难以用传统的传感器直接实现动态测量。目前使用最多的直接动态测量弯曲的传感器是Spectra Symbol公司的FlexSensor系列传感器，其基本工作原理是在弯曲传感器受到弯折时，使电阻段因为延伸变形来增加电流的传导路径以及缩减电流通过的截面积，进而相对的使电阻产生变化，以进一步通过电阻的变化来推知弯曲传感器弯曲的程度。其缺点在于只能测量单向弯曲、精度较低且结构复杂、成本较高，功能单一，适用范围极其有限。授权公告号为CN206258070 U的实用新型专利公布了该传感器的一种改良设计，通过结构的复杂化实现了双向弯曲的测量，但依旧不能实现360°方向上弯曲度的测量，且只能测量弯曲度，在复杂工作场合下劣势明显。

发明内容

针对目前实现弯曲度直接动态测量的传感器较少，现有产品功能单一、应用场景局限的不足。本发明提出了一种多功能柔性传感器，其能够测量弯曲、拉伸、膨胀等多种变形形式，且能够实现全方向弯曲变形的测量，该特点使其能够应用于多种复杂工作场合，具备出色的应用前景。

本发明同时提供了一种制备上述传感器的方法，制作方法简单，可简单实现大批量生产。

本发明同时提供了上述传感器用于拉伸测量的应用、用于弯曲测量的应用以及用于径向膨胀测量的应用。

一种多功能柔性传感器，包括柔性本体以及设置在柔性本体两端的连接电极，所述柔性本体包括含微流道的柔性基底以及填充在柔性基底微流道内的液态金属。

作为优选，所述微流道直径为20～1700μm，作为进一步优选，所述微流道直径选择100～300μm。

作为优选，所述微流道呈螺旋状布置。采用该结构，一方面可以保证所述传感器具有更大的柔性和更大的拉伸率，比如在拉伸测量模式下最大拉伸率超过100％，在弯曲测量模式下最大弯曲角度达到180°。另一方面，采用螺旋状布置使得本发明的传感器可以应用各种场合，扩展了其实用性。

作为优选，所述液态金属包括镓、镓铝合金、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋锡合金、铋铟合金中的一种或多种。进一步优选为镓铟锡合金(质量比为Ga:In:Sn＝68.5％:21.5％:10％左右)。

作为优选，所述柔性基底为高分子基底。作为进一步优选，所述高分子基底包括单组分硅胶、多组分硅胶、PDMS、柔性树脂材料中的一种或多种。进一步优选为单组分硅酮橡胶，其成本低，柔性好，且固化快，能够大大缩短制备时间。

作为优选，所述连接电极包括石墨电极、铜电极、银电极以及其他金属、非金属电极。作为进一步优选，本例中选用铜电极。

本发明还提供了两种上述传感器的制备方法，分别为：

第一种制备上述多功能柔性传感器的方法，包括如下步骤：

(1)利用3D打印技术，以所述柔性基底材料作为打印材料，打印出内含微流道的传感器柔性基底结构；

(2)将所述液态金属材料注入到传感器柔性基底结构内部的微流道中；

(3)将所述连接电极插入传感器柔性基底结构两端预留的管路接口，并用所述柔性材基底料进行封装。

第二种上述多功能柔性传感器的制作方法，包括如下步骤：

(1)利用3D打印技术，利用同轴喷头，以所述柔性基底材料作为外喷头打印材料，以液态金属作为内喷头打印材料，打印出所述初始的柔性本体结构；

(2)将所述连接电极插入柔性本体结构两端预留的管路接口，并用所述柔性材基底料进行封装。

优选地，在步骤(1)前还应有利用相关软件对传感器柔性基底结构进行建模。

优选地，在步骤(1)后还应将打印后的结构置于恒温恒湿箱中进行固化处理，以保证结构充分固化成形。

优选地，在步骤(3)后还应将封装后的结构置于恒温恒湿箱中进行固化处理，以保证封装的可靠性。

优选地，固化处理时，恒温恒湿箱中的温度一般设定为50～80℃，湿度一般设定为60～100％。固化处理时间一般为10～60分钟。

本发明还提供了上述任一技术方案所述多功能柔性传感器进行拉伸测量的应用，包括：将所述传感器粘接与被测对象上，并将传感器接入外部测量电路，传感器将随被测对象的拉伸而发生轴向拉伸变形，由于传感器形状发生改变而导致电感发生变化，从而通过相应的电感值实现拉伸程度的测量。

本发明还提供了上述任一技术方案所述多功能柔性传感器进行弯曲测量的应用，包括：将所述的柔性传感器套接于被测对象上，并将传感器接入外部测量电路，传感器将随被测对象的弯曲而发生弯曲变形，由于传感器形状发生改变而导致电感发生变化，从而通过相应的电感值实现弯曲曲率的测量。

本发明还提供了上述任一技术方案所述多功能柔性传感器进行径向膨胀测量的应用，将所述的多功能柔性传感器套接于被测对象上，并将传感器接入外部测量电路，传感器将随被测对象的径向膨胀而发生径向膨胀变形，由于传感器形状发生改变而导致电感发生变化，从而通过相应的电感值实现径向膨胀程度的测量。除了测量柔性结构的变形外，由于本传感器高灵敏度，还可用于作为现有商用应变片的替代品测量各种结构变形。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明得到的多功能柔性传感器，整体结构简单，同时制造工艺简单，成本低；

(2)本发明的多功能柔性传感器利用液态金属作为导电材料，其具有常温下处于液态的特性，能够充分反映机械变形的情况，而且在大次数、大程度的变形下仍能够可靠地保持流通，大大提高了传感器的可靠性和使用寿命；

(3)本发明利用高分子材料价格低、质量轻、柔性好等特性，大大提高了传感器的量程；

(4)本发明能够测量拉伸、弯曲、径向膨胀等多种变形形式；

(5)本发明基本结构为回转体，能够测量任何角度的弯曲变形，适用工作场景大大增加。

总之，本发明公开的多功能柔性传感器能够测量拉伸、径向膨胀以及各种方向的弯曲变形，使用寿命长、可靠性高而且结构和制造工艺简单，成本低，为可穿戴设备、柔性机器人等提供了一种柔性、成本低廉的多功能传感器。

附图说明

图1为本发明的一种多功能柔性传感器的结构示意图。

图1-a为图1的剖面示意图。

图2为本发明实施例得到的一种多功能柔性传感器处于拉伸测量工作模式下的实物图。

图3为本发明实施例得到的一种多功能柔性传感器处于弯曲测量工作模式下的实物图。

图4为本发明实施例得到的一种多功能柔性传感器处于径向膨胀测量工作模式下的实物图。

图5a和图5b为本发明实施例得到的一种多功能柔性传感器出色柔性的演示图：

其中，图5a为本发明实施例得到的一种多功能柔性传感器在拉伸测量工作模式下柔性的演示图；

图5b为本发明实施例得到的一种多功能柔性传感器在弯曲测量工作模式下柔性的演示图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例

如图1和图1-a所示，本发明的一种多功能柔性传感器，包括柔性本体1以及设置在柔性本体两端的连接电极2，柔性本体1由带有微通道的高分子基底3，以及充注在高分子基底3的微通道内的液态金属4组成。

液态金属4包括镓、镓铝合金、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋锡合金、铋铟合金。作为优选，本例中选用镓铟锡合金(质量比为Ga:In:Sn＝68.5％:21.5％:10％左右)。

高分子基底材料包括单组分硅胶、多组分硅胶、PDMS、柔性树脂材料。作为优选，本例中选用单组分硅酮橡胶，其成本低，柔性好，且固化快，能够大大缩短制备时间。

连接电极包括石墨电极、铜电极、银电极以及其他金属、非金属电极。作为优选，本例中选用铜电极。

本发明的一种多功能柔性传感器，其制备方法包括以下步骤：

(1)利用3D打印技术，以所述单组分硅酮橡胶作为打印材料，打印出内含微流道的传感器柔性基底结构；

(2)将所述镓铟锡合金注入传感器柔性基底结构内部的微流道中；

(3)将所述铜电极插入传感器柔性基底结构两端预留的管路接口，并用所述单组分硅酮橡胶进行封装。

当然本发明的多功能柔性传感器也可由同轴喷头直接通过三维打印制作而成，此时包括：

(1)利用3D打印技术，利用同轴喷头，以所述高分子基底材料作为外喷头打印材料，以液态金属作为内喷头打印材料，打印出所述初始的柔性本体结构；

(2)将所述连接电极插入柔性本体结构两端预留的管路接口，并用所述高分子材基底料进行封装。

封装完成后即可得到图1所示的本发明的一种多功能柔性传感器。

优选地，在步骤(1)前还应有利用相关软件对传感器柔性基底结构进行建模。

优选地，在步骤(1)后还应将打印后的结构置于恒温恒湿箱中进行固化处理，以保证结构充分固化成形。

优选地，在步骤(3)或第二种方法中的步骤(2)后还应将封装后的结构置于恒温恒湿箱中进行固化处理，以保证封装的可靠性。

优选地，固化处理时，恒温恒湿箱中的温度一般设定为50～80℃，湿度一般设定为60～100％。固化处理时间一般为10～60分钟。

本发明的一种多功能柔性传感器的工作方式如下：

工作模式1：拉伸测量

如图2所示，将所述的多功能柔性传感器粘接于被测对象上，并将传感器接入外部测量电路，传感器将随被测对象的拉伸而发生轴向拉伸变形。由于传感器形状发生改变而导致电感发生变化，从而通过相应的电感值实现拉伸程度的测量。

工作模式2：弯曲测量

如图3所示，将所述的多功能柔性传感器套接于被测对象上，并将传感器接入外部测量电路，传感器将随被测对象的弯曲而发生弯曲变形。由于传感器形状发生改变而导致电感发生变化，从而通过相应的电感值实现弯曲曲率的测量。

工作模式3：径向膨胀测量：

如图4所示，将所述的多功能柔性传感器套接于被测对象上，并将传感器接入外部测量电路，传感器将随被测对象的径向膨胀而发生径向膨胀变形。由于传感器形状发生改变而导致电感发生变化，从而通过相应的电感值实现径向膨胀程度的测量。

如图5a和图5b所示，本发明实施例得到的一种多功能柔性传感器具有出色的柔性。具体来说，如图5a所示，本发明实施例得到的一种多功能柔性传感器在拉伸测量模式下最大拉伸率超过100％。如图5b所示，本发明实施例得到的一种多功能柔性传感器在弯曲测量模式下最大弯曲角度达到180°。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能柔性传感器，包括柔性本体以及设置在柔性本体两端的连接电极，其特征在于，所述柔性本体包括含微流道的柔性基底以及填充在柔性基底微流道内的液态金属。

2.根据权利要求1所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述微流道呈螺旋状布置。

3.根据权利要求1所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述液态金属包括镓、镓铝合金、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋锡合金、铋铟合金。

4.根据权利要求1所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述柔性基底包括单组分硅胶、多组分硅胶、PDMS、柔性树脂材料。

5.根据权利要求1所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述连接电极包括石墨电极、铜电极、银电极以及其他金属、非金属电极。

6.根据权利要求1所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述微流道直径为20～1700μm。

7.一种权利要求1～6任一项所述多功能柔性传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用3D打印技术，以所述柔性基底材料作为打印材料，打印出内含微流道的传感器柔性基底结构；

(2)将所述液态金属材料注入到传感器柔性基底结构内部的微流道中；

(3)将所述连接电极插入传感器柔性基底结构两端预留的管路接口，并用所述柔性材基底料进行封装；

或者，包括如下步骤：

(1)利用3D打印技术，利用同轴喷头，以所述柔性基底材料作为外喷头打印材料，以液态金属作为内喷头打印材料，打印出所述初始的柔性本体结构；

(2)将所述连接电极插入柔性本体结构两端预留的管路接口，并用所述柔性材基底料进行封装。

8.一种利用权利要求1～6任一项所述多功能柔性传感器进行拉伸测量的应用，其特征在于，包括：将所述传感器粘接与被测对象上，并将传感器接入外部测量电路，传感器将随被测对象的拉伸而发生轴向拉伸变形，从而实现对被测对象拉伸程度的测量。

9.一种利用权利要求1～6任一项所述多功能柔性传感器进行弯曲测量的应用，其特征在于，包括：将所述的柔性传感器套接于被测对象上，并将传感器接入外部测量电路，传感器将随被测对象的弯曲而发生弯曲变形，从而实现对被测对象弯曲曲率的测量。

10.一种利用权利要求1～6任一项所述多功能柔性传感器进行径向膨胀测量的应用，其特征在于，将所述的多功能柔性传感器套接于被测对象上，并将传感器接入外部测量电路，传感器将随被测对象的径向膨胀而发生径向膨胀变形，从而实现对被测对象径向膨胀程度的测量。