CN109781313B - 基于液态金属的高灵敏度拉力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属的高灵敏度拉力传感器及其制造方法。拉力传感器的上基片上布置有第一液态金属电阻R1和第三液态金属电阻R3，下基片上布置有第二液态金属电阻R2和第四液态金属电阻R4，中间隔层分隔上基片（1）和下基片（2）；四个液态金属电阻R1、R2、R3和R4电连接构成电桥。制造方法的步骤是：1、制作上基片、下基片和中间隔层的模具；2、将液态的PDMS分别倒入步骤1的模具中，待PDMS凝固以后，从模具中取出；3、将步骤2制作好的PDMS片层进行键合；4、打孔，利用注射器将液态金属注入，用502胶水进行封口。本发明的技术效果：提高了拉力检测的灵敏度，能自动补偿温度。

Description

基于液态金属的高灵敏度拉力传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于一种拉力传感器，具体涉及一种基于液态金属的拉力传感器和该拉力传感器的制造方法。

背景技术

柔性传感器在可穿戴电子，机器人，健康监测以及环境监测中具有广阔用途。在实际应用中，尤其是基于液态金属的硅橡胶柔性传感器更具有优势，因为它可以在产生超过200％的应变的情况下，仍不产生破坏。但是，现有的基于液态金属的柔性传感器不能检测和处理微小的拉力变化，即拉力的灵敏度较低，导致其应用受到很大的限制。

由于基于液态金属的柔性传感器因拉力产生变形，引起液态金属的电阻变化，所以检测出液态金属的电阻变化值，就能换算成拉力变化。电桥电路适用于测量微小电阻变化。现有的基于液态金属的柔性传感器有的采用单臂工作电桥的测量电路检测拉力变化，还有的采用分压式电路结构测量拉力变化，其灵敏度较低，且受温度影响较大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于液态金属的高灵敏度拉力传感器，它能够提高拉力检测的灵敏度、自动补偿温度、且能减小体积；本发明还提供一种该拉力传感器的制造方法。

为了解决上述技术问题：

本发明所提供的一种基于液态金属的高灵敏度拉力传感器，包括上基片、下基片和中间隔层，上基片上布置有第一液态金属电阻R1和第三液态金属电阻R3，下基片上布置有第二液态金属电阻R2和第四液态金属电阻R4，中间隔层分隔上基片和下基片，四个液态金属电阻R1、R2、R3和R4电连接构成电桥，电桥的一组对角点接入直流电源、另一组对角点输出检测电压；

所述液态金属电阻是在基片刻制的微流道内充入液态金属获得的电阻，上基片的第一微流道和第三微流道平行于拉伸方向排列，下基片的第二微流道和第四微流道垂直于拉伸方向排列。

本发明的基本原理：

电桥电路如图3所示，该电桥有四个电阻R1、R2、R3和R4，称为电桥的四个桥臂，现有基于液态金属的柔性传感器仅有一个液态金属电阻接入其中一个桥臂，本专利申请称之为“单臂工作电桥”。

本发明的四个桥臂全部接入液态金属电阻，本专利申请称之为“全臂工作电桥”。

以下推导“单臂工作电桥”与“全臂工作电桥”的检测灵敏度和温度补偿的工作原理：

电桥电路的一组对角点A、C接入直流电压(称为电源对角线)，另一组对角点B、D为输出信号Uc端(称为测量对角线)；设输出信号端的测量仪内阻为Rc,流经R1、R4、Rc的电流分别为I₁、I₄、Ic。

根据基尔霍夫电流定律和回路电压定律对节点A、B、D进行分析，对UABC回路、ABD回路和UADC回路，则有方程组：

联立求解得

令I_c＝0，则有：R₁R₃＝R₂R₄(U≠0)。此时电桥处于平衡状态，没有信号输出。

以等臂电桥为例，即R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，而输出信号端，即放大器端的输入阻抗Rc远比电桥电阻大，这时电桥的输出形式属于电压桥的情况。

“单臂工作电桥”若用液态金属受力变形后电阻R1+△R代替桥臂R1，根据式(1)和式(2)，求得电桥的输出电压U_C为：

因为R₁＝R+△R，R₂＝R₃＝R₄＝R，则电桥的输出电压U_C

将△R/R＝Kε的关系代入上式即可得到电桥的输出电压U_c与电桥直流电压U的关系为

式(5)中，K为比例常数，ε为应变。

本发明的“全臂工作电桥”用四个液态金属电阻接入四个桥臂，制作的四个液态金属电阻大致相同，在受力变形后，四个桥臂的电阻变化值分别为△R1、△R2、△R3、△R4。以此代入式(2)和式(3)后得：

对“全臂工作电桥”，将电阻变化符号相同的液态金属电阻接成相对的桥臂，将电阻变化符号相反的液态金属电阻接成邻臂，即△R1和△R3应为同号，而且与△R2及△R4异号，只有这样才能提高电桥电路的信号输出。

本发明正是利用“全臂工作电桥”的这一特点，巧妙利用弹性体在拉伸变形时，如图5所示，材料沿横向拉伸变长，垂直于拉伸方向的纵向则收缩，满足广义胡克定律，由此来提高传感器的信号输出。

接下来再详细解释一下弹性体(PDMS材料)在轴向拉力的作用下的变形情况，如图5所示，PDMS材料在弹性阶段满足胡克定律，ε_z＝σ/E(ε_z是z方向应变，σ是z方向应力，因为只有z方向受力，σ就不用下标方式区别)，轴向伸长量△l＝Nl/AE，其中N为拉力，l为材料原长，A为材料横截面街，E为弹性模量。又根据广义胡克定律，横向将发生收缩，满足ε_x＝ε_y＝νε_z。(z方向是拉力传感器的拉伸方向，自然是要伸长，但是在横截面内，也就是x与y方向根据泊松效应，是要收缩的。本发明传感器是利用y方向的收缩变形产生信号来提高对拉力感应的灵敏度。)当微流道收到拉伸时，流道长度增加，横截面积减小，电阻增大；而当微流道压缩时，流道长度减小，横截面积增加，电阻减小。

假设弹性体的泊松比为ν，若拉伸桥臂阻值变化一样，即△R₁＝△R₃＝△R，则收缩桥臂阻值变化为△R₂＝△R₄＝-ν△R₁＝-ν△R₃＝-ν△R，则“全臂工作电桥”的输出信号为：

同样，将△R/R＝Kε的关系代入上式即可得到电桥的输出电压U_c与电桥直流电压U的关系为

式(5)与式(9)相比，利用拉伸变形的液态金属传感器，本发明的“全臂工作电桥”的灵敏度理论值提高了2(1+ν)倍。一般来说，常温下PDMS材料的泊松比为0.48，则本发明的传感器灵敏度理论值提高2.96倍。

电桥电路的温度补偿：

本发明的“全臂工作电桥”的四个液态金属电阻对应的四组微流道形式大致相同，温度对四组流道内的液态金属影响基本相同。由式(7)可知，当U和R一定时，U_c只与△R₁+△R₃-△R₂-△R₄有关，故可以利用“全臂工作电桥”进行“和”、“差”运算。当温度对四个微流道的液态金属产生了相同的变化，即

温度变化不会产生信号输出，也就是本发明的“全臂工作电桥”自动消除了温度影响。

本发明还提供一种制造上述基于液态金属的高灵敏度拉力传感器的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用光刻技术制作上基片和下基片的流道模具，制作中间隔层薄片模具；

步骤2、将液态的PDMS分别倒入上基片流道模具、下基片流道模具和中间隔层模具中，放入温箱中，保持60℃-80℃，养护50分钟以上，待PDMS凝固以后，从模具中取出；

步骤3、将步骤2制作好的PDMS片层，放置在阴凉处一段时间后，进行键合；

步骤4、再利用打孔器在预设通孔处进行打孔，随后利用注射器将液态金属注入，用502胶水进行封口即得。

本发明的技术效果：提高了拉力检测的灵敏度，能自动补偿温度。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的层级结构图；

图2为本发明的液态金属电阻R1、R2、R3和R4电连接的结构示意图；

图3为电桥电路图；

图4为制备本发明的微流道结构图；

图5为本发明的拉伸变形示意图。

图中，1、上基片；2、下基片；3、中间隔板；4、第一微流道；5、第二微流道；6、第三微流道；7、第四微流道；

8、第一微流道首端；9、第一微流道末端；10、第三微流道首端；11、第三微流道末端；12、第四微流道末端；13、第二微流道首端；14、第二微流道末端；15、第四微流道首端；16、中间隔层第一孔；17、中间隔层第二孔；18、中间隔层第三孔；19、中间隔层第四孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2和图3所示，一种基于液态金属的高灵敏度拉力传感器，包括上基片1、下基片2和中间隔层3，上基片1上布置有第一液态金属电阻R1和第三液态金属电阻R3，下基片2上布置有第二液态金属电阻R2和第四液态金属电阻R4，中间隔层3分隔上基片1和下基片2；四个液态金属电阻R1、R2、R3和R4通过中间隔层3通孔内的液态金属电连接构成电桥，电桥的一组对角点接入直流电源、另一组对角点输出检测电压。

如图1和图4所示，第一液态金属电阻R1是在上基片1刻制的第一微流道4内充入液态金属，第三液态金属电阻R3是在上基片1刻制的第三微流道6内充入液态金属；第二液态金属电阻R2是在下基片2刻制的第二微流道5内充入液态金属，第四液态金属电阻R4是在下基片2刻制的第四微流道7内充入液态金属；

第一微流道4的首端8通过充满液态金属的中间隔层3的第一孔16与第四微流道7的末端12相连；

第一微流道4的末端9通过充满液态金属的中间隔层3的第二孔17与第二微流道5的首端13相连；

第三微流道6的首端10通过充满液态金属的中间隔层3的第三孔18与第二微流道5的末端14相连；

第三微流道6的末端11通过充满液态金属的中间隔层3的第四孔19与第四微流道7的首端15相连。

如图4所示，上基片1的第一微流道4和第三微流道6平行于拉伸方向排列，下基片2的第二微流道5和第四微流道7垂直于拉伸方向排列。

所述上基片1、下基片2和中间隔层3材料选用有机硅橡胶(PDMS)，具体为DowCorning Sylgard 184(道康宁184弹性体灌封胶)。液态金属选用镓铟合金(eGaIn)。

制造上述基于液态金属的高灵敏度拉力传感器的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用光刻技术制作上基片和下基片的流道模具，制作中间隔层薄片模具；

步骤2、将有机硅橡胶与固化剂按10:1混合后，搅拌均匀，将液态的PDMS放到脱泡机中30分钟以上，除去内部的气泡；随后将其分别倒入上基片流道模具、下基片流道模具和中间隔层模具中，放入温箱中，保持60℃-80℃，养护50分钟以上，待PDMS凝固以后，从模具中取出；

步骤3、将步骤2制作好的PDMS片层，放置在阴凉处一段时间后，进行键合；

所述键合就是将上面制作的三层粘到一块，形成一个整体，这样，上基片的微流道和下基片的微流道在中间隔层的通孔处连通；

步骤4、再利用打孔器在预设通孔处进行打孔，随后利用注射器将液态金属注入，用502胶水进行封口即得。

实际上，微流道和中间隔层通孔的内部全充满液态金属，也就是，流道之间是通过液态金属连接的，不需要导线。

接着，需要对以上制作好的本发明传感器进行标定试验，并将信号输出端与传输、处理模块连接。

本发明的优点是：

1、在测量拉力时，不仅利用弹性体拉伸应变变形，还同时利用弹性体纵向的收缩应变变形，再通过“全臂工作电桥”，把拉伸应变放在电桥中相对的位置、压缩应变放在与拉伸应变相邻的位置，同时利用拉压应变场来获得拉力大小，有效提高了拉力柔性应变传感器的灵敏度。与现有“单臂工作电桥”相比，灵敏度理论值可提高2(1+ν)倍。

2、本发明的传感器具有温度自补偿功能，在电路中已消除了温度对于传感器的影响。无须再设置温度传感器，通过软件处理来补偿温度影响。

3、本发明的传感器在立体空间中，通过分层结构来实现惠斯通多臂电桥，而不是在同一平面内布置，相关设计可参见“Wearable Microfluidic Diaphragm PressureSensor for Health and Tactile Touch Monitoring”,Yuji Gao，Hiroki Ota et al，Advanced Materials，Volume 29，Issue 39Octorber 182017 1701985(“用于健康和触觉检测的可穿戴微流道薄膜压力传感器”，先进材料，第29卷，第39期，2017.10.18，期号1701985)，可以有效减小传感器体积。

Claims (4)

1.一种基于液态金属的高灵敏度拉力传感器，其特征是：包括上基片(1)、下基片(2)和中间隔层(3)，上基片(1)上布置有第一液态金属电阻R1和第三液态金属电阻R3，下基片(2)上布置有第二液态金属电阻R2和第四液态金属电阻R4，中间隔层(3)分隔上基片(1)和下基片(2)；四个液态金属电阻R1、R2、R3和R4电连接构成电桥，电桥的一组对角点接入直流电源、另一组对角点输出检测电压；

所述液态金属电阻是在基片刻制的微流道内充入液态金属获得的电阻，上基片(1)的第一微流道(4)和第三微流道(6)平行于拉伸方向排列，下基片(2)的第二微流道(5)和第四微流道(7)垂直于拉伸方向排列。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属的高灵敏度拉力传感器，其特征是：第一液态金属电阻R1是在上基片(1)刻制的第一微流道(4)内充入液态金属，第三液态金属电阻R3是在上基片(1)刻制的第三微流道(6)内充入液态金属；第二液态金属电阻R2是在下基片(2)刻制的第二微流道(5)内充入液态金属，第四液态金属电阻R4是在下基片(2)刻制的第四微流道(7)内充入液态金属；

第一微流道(4)的首端(8)通过充满液态金属的中间隔层(3)的第一孔(16)与第四微流道(7)的末端(12)相连；

第一微流道(4)的末端(9)通过充满液态金属的中间隔层(3)的第二孔(17)与第二微流道(5)的首端(13)相连；

第三微流道(6)的首端(10)通过充满液态金属的中间隔层(3)的第三孔(18)与第二微流道(5)的末端(14)相连；

第三微流道(6)的末端(11)通过充满液态金属的中间隔层(3)的第四孔(19)与第四微流道(7)的首端(15)相连。

3.根据权利要求1或2所述的基于液态金属的高灵敏度拉力传感器，其特征是：所述上基片(1)、下基片(2)和中间隔层(3)的材料选用PDMS；液态金属选用镓铟合金。

4.一种制造权利要求1、2或3所述基于液态金属的高灵敏度拉力传感器的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、利用光刻技术制作上基片和下基片的流道模具，制作中间隔层薄片模具；

步骤2、将液态的PDMS分别倒入上基片流道模具、下基片流道模具和中间隔层模具中，放入温箱中，保持60℃-80℃，养护50分钟以上，待PDMS凝固以后，从模具中取出；

步骤3、将步骤2制作好的PDMS片层，放置在阴凉处一段时间后，进行键合；

步骤4、再利用打孔器在预设通孔处进行打孔，随后利用注射器将液态金属注入，用502胶水进行封口即得。

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