CN109489539A - 柔性应变传感器的制备方法及柔性应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种柔性应变传感器的制备方法及柔性应变传感器。该方法包括：在弹性织物内浸入液态导电材料；在弹性织物的两端各设置一个电极，并在电极上连接电极引线；在弹性织物的外表面包覆弹性体材料，并使电极引线从弹性体材料中露出；弹性体材料固化后，获得柔性应变传感器。本发明实施例，选择弹性织物作为液态导电材料存储通道，传感器在被施加拉力或压力时，液态导电材料都能够从弹性织物中流出，致使弹性织物的导电性能下降；当撤除施加的外力后，流出的液态导电材料重新流回到弹性织物中，致使弹性织物的导电性能恢复，从而使得传感器同时具备拉力传感和压力传感的功能，不仅扩大柔性传感器的应变感知范围，还简化了其制备工艺。

Description

柔性应变传感器的制备方法及柔性应变传感器

技术领域

本发明实施例涉及传感器技术领域，尤其涉及柔性应变传感器的制备方法及柔性应变传感器。

背景技术

应变传感器是一类重要的电学传感器件，当其受到外力作用时自身形变会导致电阻或电容发生变化，通过监测这些变化从而实现应变感知功能。近年来应变传感器领域出现了一个新的热点方向——柔性可穿戴应变传感器。这类柔性可穿戴应变传感器不仅具有良好的柔性和拉伸性，可实现传感器与人体紧密贴合，保证用户长期佩戴的舒适性，同时还具有良好的灵敏度、重复性和稳定性等传感性能，已在生理学、生物力学和运动机能学等研究中得到了应用。

目前，这类柔性可穿戴应变传感器中多采用固态导电纳米材料(如碳纳米管、石墨烯、金属纳米结构)作为传感器敏感材料，并将固态导电纳米材料置于弹性基底的表面或内部以实现与弹性基底的结合，借助固态导电纳米材料构筑成一个导电网络。但是，固态敏感材料与弹性体基底之间存在较大的摩擦，这使得固态敏感材料在应变传感器拉伸后难以快速返回到其初始位置，从而导致应变传感存在明显的迟滞现象。同时，较长时间摩擦也会导致固态敏感材料性能下降甚至失效。特别是，应变传感器拉伸后，由固态导电纳米材料构筑成的导电网络内部开裂产生间隙，或者固态导电纳米材料之间发生分离，严重限制了传感器的应变感知范围和循环使用性。

为了解决基于固态导电材料的柔性可穿戴应变传感器存在的上述主要问题。现有技术又研制出了基于液态传感材料的柔性可穿戴应变传感器。制备该类应变传感器，通常先在弹性基底内部形成储存液态传感材料的通道，然后在通道内插入电极，最后注入液态传感材料并密封，制备工艺复杂。由于存储液态传感材料的通道是单一的空腔，只有传感器在被施加拉力时，存储液态传感材料的通道的长度和截面积才会发生明显的变化，致使该类应变传感器一般只具有拉力传感功能。

发明内容

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的柔性应变传感器的制备方法及柔性应变传感器。

第一方面，本发明实施例提供一种柔性应变传感器的制备方法，包括：在弹性织物内浸入液态导电材料；在弹性织物的两端各设置一个电极，并在电极上连接电极引线；在弹性织物的外表面包覆弹性体材料，并使电极引线从弹性体材料中露出；弹性体材料固化后，获得柔性应变传感器。

第二方面，本发明实施例提供一种柔性应变传感器，柔性应变传感器采用第一方面提供的制备方法得到。

本发明实施例，通过在弹性织物内浸入液态导电材料来制备柔性应变传感器。通过在弹性织物内浸入液态导电材料，制备柔性应变传感器。选择弹性织物作为液态导电材料存储和流动通道，柔性应变传感器在被施加拉力或压力时，液态导电材料都能够从弹性织物中流出，致使弹性织物的导电性能下降；施加在柔性应变传感器上的拉力或压力撤除后，之前流出的液态导电材料再次流回到弹性织物中，致使弹性织物的导电性能得以恢复，从而使得柔性应变传感器同时具备拉力传感和压力传感的功能，不仅扩大柔性传感器的应变感知范围，还简化了其制备工艺。

附图说明

图1为本发明实施例提供的柔性应变传感器的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的圆柱体形柔性应变传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的长方体形柔性应变传感器的结构示意图。

图中，21：第一液态导电材料；22：第一弹性织物；23：第一电极；24：第一电极引线；25：圆柱体形弹性体材料；31：第二液态导电材料；32：第二弹性织物；33：第二电极；34：第二电极引线；35：长方体形弹性体材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的柔性应变传感器的制备方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括：

步骤11，在弹性织物内浸入液态导电材料；

步骤12，在弹性织物的两端各设置一个电极，并在电极上连接电极引线；

步骤13，在弹性织物的外表面包覆弹性体材料，并使电极引线从弹性体材料中露出；

步骤14，弹性体材料固化后，获得柔性应变传感器。

具体地，步骤11，根据实际需要合理选用弹性织物的材料，例如，选择氨纶和涤纶弹性编织绳中的一种作为弹性织物材料。液态导电材料为不易固化、不易挥发且粘滞系数低的液态导电材料。作为一种可选的实施例，液态导电材料包括，导电液、导电浆料和导电凝胶中的至少一种，例如，乙二醇和水凝胶等。根据液态导电材料的属性，选择合适的方式，例如，涂刷、喷涂、滴涂、浸涂、浇涂等方式，将液态导电材料浸入弹性织物的内部的空隙中。在浸入的过程中弹性织物可以处于拉伸或未拉伸状态。弹性织物的空隙为液态导电材料提供存储和传输的通道。弹性织物具有一定厚度和长度，对其具体形状不做限制。例如，弹性织物的形状为绳状。在弹性织物内浸入液态导电材料后的弹性织物变为导电弹性织物，进而充当应变敏感材料。

步骤12，根据实际需求选择合理的方式在弹性织物的两端各设置一个电极。作为一种可选的实施例，在弹性织物的两端分别密缠金属导线来制备电极，或者在弹性织物两端涂覆纳米复合导电聚合物经固化后形成电极。例如，在弹性织物的两端分别密缠绕铜线来制备电极。作为一种可选的实施例，纳米复合导电聚合物，包括，在弹性体材料中均匀混合炭黑、银浆、石墨烯、金属纳米线和金属纳米颗粒中的一种或者多种导电材料。例如，通过在高分子弹性体材料中按照一定的比例，均匀混合炭黑、银浆、石墨烯、金属纳米线、金属纳米颗粒中的至少一种导电材料得到的。作为一种可选的实施例，通过缠绕或者焊接的方式在电极上连接电极引线。作为一种可选的实施例，所述电极引线，包括：金属导线或者金属薄片。

步骤13，根据实际需要合理选用拉伸范围大且可与弹性织物紧密结合的高分子材料作为弹性体材料，例如，选择天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、顺丁橡胶、硅胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚对苯二甲酸乙二醇酯等中的一种作为弹性体材料。作为一种可选的实施例，弹性体材料包括：橡胶和热塑性弹性体材料中的至少一种。作为一种可选的实施例，在弹性织物的外表面包覆弹性体材料，包括：摆放弹性织物以使弹性织物处于自然伸直状态后，在弹性织物的外表面包覆弹性体材料。另外，在包覆弹性体材料前，要充分排除弹性体材料中的气泡。根据弹性体材料的本身属性选择合理的方式在弹性织物的外表面包覆弹性体材料，例如，通过涂覆、印刷、浇筑、注塑、挤出和吹塑等方式中的一种，在弹性织物的外表面均匀的包覆弹性体材料，使得弹性织物处于弹性体材料的中部位置。并将电极引线从弹性体材料中露出。对弹性织物的横截面和弹性体的形状不做限制。例如，所选的弹性织物的横截面形状为圆形，弹性织物与弹性体构成同轴圆柱体。

步骤14，在室温下静置一定的时间，例如3小时等。待弹性体材料完全固化后形成柔性基底，从而制备获得柔性应变传感器。

本发明实施例，通过在弹性织物内浸入液态导电材料来制备柔性应变传感器。通过在弹性织物内浸入液态导电材料，制备柔性应变传感器。选择弹性织物作为液态导电材料存储和流动通道，柔性应变传感器在被施加拉力或压力时，液态导电材料都能够从弹性织物中流出，致使弹性织物的导电性能下降；施加在柔性应变传感器上的拉力或压力撤除后，之前流出的液态导电材料再次流回到弹性织物中，致使弹性织物的导电性能得以恢复，从而使得柔性应变传感器同时具备拉力传感和压力传感的功能，不仅扩大柔性传感器的应变感知范围，还简化了其制备工艺。

在上述实施例的基础上，作为一种可选的实施例，弹性织物包括疏松和多空隙的结构。

具体地，弹性织物具有疏松和多空隙的结构，疏松多空隙的的结构作为液态导电材料的存储和流通通道，为液态导电材料提供了受外部应力调控的存储和流通通道。当弹性织物受到外界拉力或压力时，弹性织物都会变得致密、空隙减少，致使浸入弹性织物的液态导电材料能够从弹性织物的疏松和多空隙的结构中流出，弹性织物的导电性能下降；施加在弹性织物上的拉力或压力撤除后，弹性织物重新具有初始的疏松、多空隙的结构，之前流出的液态导电材料再次流回到弹性织物中，致使弹性织物的导电性能得以恢复，从而使得柔性应变传感器同时具备拉力传感和压力传感的功能。

本发明实施例通过选用具有疏松和多空隙的结构的弹性织物，作为存储和传输液态导电材料的存储和流通通道，为液态导电材料提供了受外部应力调控的存储和流通通道，使得柔性应变传感器同时具有优良的压力传感和拉力传感性能，性能稳定且灵敏度高。

图2为本发明实施例提供的圆柱体形柔性应变传感器的结构示意图。如图2所示，该柔性应变传感器，包括：第一液态导电材料21、第一弹性织物22、第一电极23、第一电极引线24和圆柱体形弹性体材料25。该圆柱体形柔性应变传感器，采用以上各种实施例提供的柔性应变传感器的制备方法得到。

具体地，在第一弹性织物22内浸入第一液态导电材料21，将浸入第一液态导电材料21的第一弹性织物22作为应变敏感材料。在第一弹性织物22的两端各设置一个第一电极23，并在第一电极23上连接第一电极引线24。最后选择合适的圆柱体形弹性体材料25作为柔性基底，包覆在第一弹性织物22的外表面，用于支撑和保护应变敏感材料。上述应变敏感材料被圆柱体形弹性体材料25包覆，位于柔性基底的中部，不外露。第一电极23位于应变敏感材料的两端，也被圆柱体形弹性体材料25包覆，不外露。两个第一电极引线24分别与两个第一电极23连接，从柔性基底中引出。

图3为本发明实施例提供的长方体形柔性应变传感器的结构示意图。如图3所示，该长方体性柔性应变传感器，包括：第二液态导电材料31、第二弹性织物32、第二电极33、第二电极引线34和长方体形弹性体材料35。该长方体性柔性应变传感器，采用以上各种实施例提供的柔性应变传感器的制备方法得到。

具体地，在第二弹性织物32内浸入第二液态导电材料31，将浸入第二液态导电材料31的第二弹性织物32作为应变敏感材料。在第二弹性织物32的两端各设置一个第二电极33，并在第二电极33上连接第二电极引线34。最后选择合适的长方体形弹性体材料35作为柔性基底，包覆在第二弹性织物32的外表面，用于支撑和保护应变敏感材料。上述应变敏感材料被长方体形弹性体材料35包覆，位于柔性基底的中部，不外露。第二电极33位于应变敏感材料的两端，也被长方体形弹性体材料35包覆，不外露。两个第二电极引线34分别与两个第二电极23连接，从柔性基底中引出。

通过在弹性织物内浸入液态导电材料来制备柔性应变传感器。选择弹性织物作为液态导电材料存储和流动通道，柔性应变传感器在被施加拉力或压力时，液态导电材料都能够从弹性织物中流出，致使弹性织物的导电性能下降；施加在柔性应变传感器上的拉力或压力撤除后，之前流出的液态导电材料再次流回到弹性织物中，致使弹性织物的导电性能得以恢复，从而使得柔性应变传感器同时具备拉力传感和压力传感的功能，不仅扩大了柔性应变传感器的应变感知范围，同时也简化了制备柔性应变传感器的工艺。

本发明一具体实施例采用乙二醇作为液态导电材料制备长方体形柔性应变传感器的步骤包括：

S101：选取一根长6厘米的氨纶绳状弹性织物。将氨纶绳状弹性织物完全浸入到乙二醇中，等待30秒后取出，静置使得多余的乙二醇自行滴落到容器中，制备获得导电绳状弹性织物。其中，氨纶绳状弹性织物采用钩针编织工艺制得，白色，横截面形状为圆形，直径为2.5毫米，在浸入乙二醇前，氨纶绳状弹性织物处于干燥状态，不做任何清洗处理，不导电。

S102：在步骤S101制备获得的导电绳状弹性织物的两端各留出0.5厘米，并将两端各自留出的0.5厘米长的导电绳状弹性织物拉伸至1.25厘米，然后在已拉伸至1.25厘米长的导电绳状弹性织物上，分别向着绳状弹性织物两端的方向，以螺旋方式，在导电绳状弹性织物上密缠直径0.2毫米的铜导线。在导电绳状弹性织物密缠铜导线后，导电绳状弹性织物的长度仍保持1.25厘米不变。最后从导电绳状弹性织物两端引出10厘米铜导线充当电极引线。

S103：将步骤S102制得的带有铜线电极和电极引线的导电绳状弹性织物固定在长方形模具中，然后将硅胶真空脱气后立刻浇筑在模具中，硅胶完全没过导电绳状弹性织物，仅使充当电极引线的铜线从硅胶中露出。其中，长方形模具的长为9.5厘米和宽为2.0厘米；导电绳状弹性织物在长方形模具中水平放置，处于自然伸直状态；将A组分(预聚合物)和B组分(固化剂)按照1:1的体积比混合，用搅拌棒手动搅拌3分钟使其充分均匀混合，制备上述硅胶。然后将盛有硅胶的容器放置在真空箱里真空排除硅胶里的空气气泡。

S104：室温下静置3小时后，硅胶完全固化形成无色半透明柔性基底，再将柔性基底从模具中取出，从而制备得到柔性应变传感器。上述柔性基底为一扁平长方体，其中长9.5厘米、宽2.0厘米和厚度5毫米；导电绳状弹性织物处于长方体形柔性基底的中部。

本发明又一具体实施例采用水凝胶作为液态导电材料制备圆柱体形柔性应变传感器的步骤包括：

S201：选取一根长7厘米的氨纶绳状弹性织物。通过涂刷方法在氨纶绳状弹性织物的表面涂覆水凝胶，制备获得导电绳状弹性织物。其中，氨纶绳状弹性织物采用钩针编织工艺制得，白色，横截面形状为圆形，直径为2.5毫米；水凝胶为无色、透明的水溶性高分子凝胶，主要成分为纯净水、丙二醇、丙三醇(甘油)、三乙醇胺、卡波姆(交联聚丙稀酸树脂)；在氨纶绳状弹性织物的表面涂刷水凝胶前，氨纶绳状弹性织物处于干燥状态，不做任何清洗处理，不导电。

S202：在步骤S201制备获得的导电绳状弹性织物的两端各留出1厘米，并将两端各自留出的1厘米长的导电绳状弹性织物拉伸至2.5厘米，然后在已拉伸至2.5厘米长的导电绳状弹性织物上，分别向着绳状弹性织物两端的方向，以螺旋方式，在导电绳状弹性织物上密缠直径0.2毫米的铜导线。在导电绳状弹性织物密缠铜导线后，导电绳状弹性织物的长度仍保持2.5厘米不变。最后从导电绳状弹性织物两端引出10厘米铜导线充当电极引线。

S203：将步骤S202制得的带有铜线电极和电极引线的导电绳状弹性织物固定在圆柱形管状模具中，待硅胶真空脱气后立刻用注塑的方式注入到管状模具中，硅胶完全充满模具，仅使充当电极引线的铜线从硅胶中露出。其中圆柱形管状模具的长为14厘米、内径为5毫米；弹性织物固定在圆柱形模具的中心位置且弹性织物自然伸直从而保证良好的同心度，导电绳状弹性织物和模具均直立放置；将A组分(预聚合物)和B组分(固化剂)按照1:1的体积比混合，用搅拌棒手动搅拌3分钟使其充分均匀混合，制备上述硅胶。然后将盛有硅胶的容器放置在真空箱里真空排除硅胶里的空气气泡。硅胶通过注射器自上而下注入进管状模具中以充分排除模具中的空气，最终硅胶完全充满管状模具。

S204：室温下静置3小时后，硅胶完全固化形成无色半透明柔性基底，再将柔性基底从模具中取出，从而制备得到柔性应变传感器。上述柔性基底为圆柱体，长14厘米、直径5毫米；导电绳状弹性织物处于圆柱体形柔性基底的芯部，只有电极引线从圆柱体形柔性基底的两端露出。

本发明再一具体实施例采用水凝胶作为液态导电材料制备鞋垫型柔性应变传感器的步骤包括：

S301：选取一根长7厘米的氨纶绳状弹性织物。通过涂刷方法在氨纶绳状弹性织物的表面涂覆水凝胶，制备获得导电绳状弹性织物。其中，氨纶绳状弹性织物采用钩针编织工艺制得，白色，横截面形状为圆形，直径为2.5毫米；水凝胶为无色、透明的水溶性高分子凝胶，主要成分为纯净水、丙二醇、丙三醇(甘油)、三乙醇胺、卡波姆(交联聚丙稀酸树脂)；在氨纶绳状弹性织物的表面涂刷水凝胶前，氨纶绳状弹性织物处于干燥状态，不做任何清洗处理，不导电。

S302：在步骤S301制备获得的导电绳状弹性织物的两端各留出1厘米，并将两端各自留出的1厘米长的导电绳状弹性织物拉伸至2.5厘米，然后在已拉伸至2.5厘米长的导电绳状弹性织物上，分别向着绳状弹性织物两端的方向，以螺旋方式，在导电绳状弹性织物上密缠直径0.2毫米的铜导线。在导电绳状弹性织物密缠铜导线后，导电绳状弹性织物的长度仍保持2.5厘米不变。最后从导电绳状弹性织物两端引出10厘米铜导线充当电极引线。

S303：将步骤S302制得的带有铜线电极和电极引线的导电绳状弹性织物固定在鞋垫型模具中，然后将硅胶真空脱气后立刻浇筑到鞋垫型模具中，模具中，硅胶完全没过导电绳状弹性织物，仅使充当电极引线的铜线从硅胶中露出。其中，导电绳状弹性织物在鞋垫型模具中水平放置，处于自然伸直状态；将A组分(预聚合物)和B组分(固化剂)按照1:1的体积比混合，用搅拌棒手动搅拌3分钟使其充分均匀混合，制备上述硅胶。然后将盛有硅胶的容器放置在真空箱里真空排除硅胶里的空气气泡。

S304：室温下静置3小时后，硅胶完全固化形成无色半透明柔性基底，再将柔性基底从模具中取出，从而制备得到鞋垫型柔性应变传感器。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括：

在弹性织物内浸入液态导电材料；

在所述弹性织物的两端各设置一个电极，并在所述电极上连接电极引线；

在所述弹性织物的外表面包覆弹性体材料，并使所述电极引线从所述弹性体材料中露出；

所述弹性体材料固化后，获得所述柔性应变传感器。

2.根据权利要求1的所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述弹性织物包括：疏松和多空隙的结构。

3.根据权利要求1所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述液态导电材料包括：导电液、导电浆料和导电凝胶中的至少一种。

4.根据权利要求1的所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述弹性织物的两端各设置一个电极包括：在所述弹性织物的两端密缠金属导线来制备所述电极，或者在所述弹性织物的两端涂覆纳米复合导电聚合物经固化后制备所述电极。

5.根据权利要求4的所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于所述纳米复合导电聚合物，包括：在所述弹性体材料中均匀混合炭黑、银浆、石墨烯、金属纳米线和金属纳米颗粒中的一种或者多种导电材料。

6.根据权利要求1所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述电极上连接电极引线，包括：通过缠绕或者焊接的方式在所述电极上连接所述电极引线。

7.根据权利要求1所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述电极引线，包括：金属导线或者金属薄片。

8.根据权利要求1所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述弹性体材料包括：橡胶和热塑性弹性体材料中的至少一种。

9.根据权利要求1所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述弹性织物的外表面包覆弹性体材料，包括：摆放所述弹性织物以使所述弹性织物处于自然伸直状态后，在所述弹性织物的外表面包覆所述弹性体材料。

10.一种柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性应变传感器采用权利要求1至9任意一项所述的制备方法得到。