CN110081810A - 一种柔性可拉伸应变传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种柔性可拉伸应变传感器及其制备方法，该传感器包括柔性可拉伸基底层、形成在所述柔性可拉伸基底层上的可拉伸敏感元件以及连接在所述可拉伸敏感元件的两端的电极，所述电极设置成在所述可拉伸敏感元件处于释放状态时具有沿着所述柔性可拉伸应变传感器的可拉伸方向分布的可拉伸褶皱结构，所述褶皱结构在所述可拉伸敏感元件处于拉伸状态时沿着拉伸方向展平而至少部分地抵消所述电极受到的拉伸力，且在所述拉伸力消失时复原所述褶皱结构。本发明提供了一种同时具备可拉伸敏感元件和可拉伸电极且制作起来简单有效的柔性可拉伸应变传感器。
Description
技术领域
本发明涉及应变传感器，特别是一种柔性可拉伸应变传感器及其制备方法。
背景技术
近些年来，随着信息互联网时代的到来，新型移动可穿戴电子器件的需求日益增加，而可穿戴设备的最大要求即为柔性可拉伸，相比较传统的金属应变传感器以及传统的电子应变传感检测器，柔性电子应变传感器克服了易脆的缺点，并且具备高拉伸性，高灵敏度，优异的耐久性以及良好的生物相容性等优点。而传感器可拉伸功能的实现主要通过两种方案实现，其一是采用新的结构布局，例如“波浪状”几何形状[Adv.Mater.2012,24(25):3325-3325]，蛇形互连[Adv.Mater.2004,16(5):393-397]等；其二则是采用新材料，例如碳纳米管[Adv.Funct.Mater.2013,23(7):916-916]和石墨烯[Adv.Mater.2013,25(23):3249-3253]等。柔性可拉伸应变传感器由可拉伸电极和敏感元件组成，其中可拉伸电极要求在拉伸状态下电阻保持不变或发生微小变化，而敏感元件则要求其电阻随应变的增加而显著增大，应用在信号处理、电学调制器件、主动传感网络、通讯、远程控制等领域。
目前柔性可拉伸应变传感器的器件部分存在器件可拉伸，但电极不可拉伸，需要额外的外置电极的问题；而具备可拉伸敏感元件和可拉伸电极的则存在制备工艺复杂，难以大规模制备应用的问题。亟待在新型器件结构和功能应用上进行更加系统和深入的研发。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有可拉伸敏感元件和可拉伸电极，且制备工艺简单有效的柔性可拉伸应变传感器，还提供该柔性可拉伸应变传感器的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种柔性可拉伸应变传感器，包括柔性可拉伸基底层、形成在所述柔性可拉伸基底层上的可拉伸敏感元件以及连接在所述可拉伸敏感元件的两端的电极，所述电极设置成在所述可拉伸敏感元件处于释放状态时具有沿着所述柔性可拉伸应变传感器的可拉伸方向分布的可拉伸褶皱结构，所述褶皱结构在所述可拉伸敏感元件处于拉伸状态时沿着拉伸方向展平而至少部分地抵消所述电极受到的拉伸力，且在所述拉伸力消失时复原所述褶皱结构。
进一步地：
所述柔性可拉伸基底层的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex(德国BASF公司所制造的脂肪族芳香族无规共聚酯)、橡胶、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)中的一种或多种。
所述可拉伸敏感元件和/或所述电极的材料包括碳纳米管(CNT)、纳米银、石墨烯中的一种或多种。
所述可拉伸敏感元件和所述电极的材料为同一种材料。
还包括形成在所述柔性可拉伸基底层上的柔性封装层，所述柔性封装层覆盖所述可拉伸敏感元件。
所述柔性封装层的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、橡胶、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)中的一种或多种。
一种制作所述的柔性可拉伸应变传感器的方法，包括以下步骤：
S1、准备柔性可拉伸基底层；
S2、将所述柔性可拉伸基底层预拉伸后，在所述柔性可拉伸基底层上喷涂制作电极；
S3、将喷涂好所述电极的所述柔性可拉伸基底层释放，恢复初始状态，然后在所述柔性可拉伸基底层上喷涂制作可拉伸敏感元件。
进一步地：
步骤S2中，将所述柔性可拉伸基底层预拉伸到其可复原的最大应变程度的60％以上。
步骤S2包括：
将碳纳米管分散在异丙醇中，并进行超声处理获得使碳纳米管分散均匀的碳纳米管分散液；
将所述柔性可拉伸基底层预拉伸后，与电极掩膜版贴合在一起，对所述柔性可拉伸基底层进行氧等离子处理和预热处理，将所述碳纳米管分散液通过所述电极掩膜版喷涂到所述柔性可拉伸基底层，以形成所述电极。
步骤S3包括：
将喷涂好所述电极的所述柔性可拉伸基底层释放，恢复初始状态，再将所述柔性可拉伸基底层与敏感元件掩膜版贴合在一起，将所述碳纳米管分散液通过所述电极掩膜版喷涂到所述柔性可拉伸基底层，以形成所述可拉伸敏感元件。
本发明具有如下有益效果：
与现有技术相比，本发明提供一种同时具备可拉伸敏感元件和可拉伸电极且制备工艺简单有效的柔性可拉伸应变传感器，该柔性可拉伸应变传感器的电极设置成在所述可拉伸敏感元件处于释放状态时具有沿着所述柔性可拉伸应变传感器的可拉伸方向分布的可拉伸褶皱结构，所述褶皱结构在所述可拉伸敏感元件处于拉伸状态时沿着拉伸方向展平而至少部分地抵消所述电极受到的拉伸力，且在所述拉伸力消失时复原所述褶皱结构，采用这种电极结构的柔性可拉伸应变传感器具有拉伸应变范围大(0-50％)、灵敏度高和稳定性高的优点，能够实现适应于各种需要测量拉伸应变场合，且其制备方法简单，工艺流程少，成本较低，可实现大规模制备。本发明方法制作该传感器时，电极因为在拉伸状态下制备，释放后会形成所述褶皱结构，使用时，对其拉伸小于制备时拉伸的应变时，相当于将褶皱结构拉平，电极本身长度不变，没有裂纹的产生，因此其电阻不会发生变化或发生可忽略的微小变化。而该传感器的可拉伸敏感元件则是在释放状态下制备，在拉伸时会使敏感元件产生一定的裂纹，从而使电阻发生较大的变化，从而可以通过电阻的变化测量应变的大小。较佳地，敏感元件和可拉伸电极可以为同一种材料，都只需要采用喷涂工艺即可将其喷涂在基底层上，极大简化了操作步骤。
附图说明
图1为本发明可拉伸应变传感器一种实施例的剖面结构示意图；
图2为本发明可拉伸应变传感器一种实施例的立体结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1和图2，在一种实施例中，一种柔性可拉伸应变传感器，包括柔性可拉伸基底层1、形成在所述柔性可拉伸基底层1上的可拉伸敏感元件3以及连接在所述可拉伸敏感元件3的两端的电极2，所述电极2设置成在所述可拉伸敏感元件3处于释放状态时具有沿着所述柔性可拉伸应变传感器的可拉伸方向分布的可拉伸褶皱结构，所述褶皱结构在所述可拉伸敏感元件3处于拉伸状态时沿着拉伸方向展平而至少部分地抵消所述电极2受到的拉伸力，且在所述拉伸力消失时复原所述褶皱结构。
在优选的实施例中，所述柔性可拉伸基底层1的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex(德国BASF公司所制造的脂肪族芳香族无规共聚酯)、橡胶、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)中的一种或多种。
在优选的实施例中，所述可拉伸敏感元件3和/或所述电极2的材料包括碳纳米管(CNT)、纳米银、石墨烯中的一种或多种。
在优选的实施例中，所述可拉伸敏感元件3和所述电极2的材料为同一种材料。
在优选的实施例中，所述柔性可拉伸应变传感器还包括形成在所述柔性可拉伸基底层1上的柔性封装层4，所述柔性封装层4覆盖所述可拉伸敏感元件3。
在优选的实施例中，所述柔性封装层的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、橡胶、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)中的一种或多种。
一种制作所述的柔性可拉伸应变传感器的方法，包括以下步骤：
S1、准备柔性可拉伸基底层1；
S2、将所述柔性可拉伸基底层1预拉伸后，在所述柔性可拉伸基底层1上喷涂制作电极2；
S3、将喷涂好所述电极2的所述柔性可拉伸基底层1释放，恢复初始状态，然后在所述柔性可拉伸基底层1上喷涂制作可拉伸敏感元件3。
在优选的实施例中，步骤S2中，将所述柔性可拉伸基底层预拉伸到其可复原的最大应变程度的60％以上，较佳可以为80％以上。
在优选的实施例中，步骤S2包括：
将碳纳米管分散在异丙醇中，并进行超声处理获得使碳纳米管分散均匀的碳纳米管分散液；
将所述柔性可拉伸基底层预拉伸后，与电极掩膜版贴合在一起，并在下方用磁铁将其紧密贴合，对所述柔性可拉伸基底层进行氧等离子处理和预热处理，将所述碳纳米管分散液通过所述电极掩膜版喷涂到所述柔性可拉伸基底层，以形成所述电极。
在优选的实施例中，步骤S3包括：
将喷涂好所述电极的所述柔性可拉伸基底层释放，恢复初始状态，再将所述柔性可拉伸基底层与敏感元件掩膜版贴合在一起，并在下方用磁铁将其紧密贴合，将所述碳纳米管分散液通过所述电极掩膜版喷涂到所述柔性可拉伸基底层，以形成所述可拉伸敏感元件。
以下进一步描述本发明具体实施例的特征和优点。
一种具体实施例的柔性可拉伸应变传感器器件包括三层结构，第一层结构为基底层，第一层结构的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、橡胶、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)等柔性可拉伸透明材料，第二层结构为敏感元件和可拉伸电极层，第二层结构的材料为碳纳米管(CNT)、纳米银、石墨烯等导电材料，的第二层结构附着在第一层结构上面，第二层结构采用喷涂工艺喷涂在基底层上，其中可拉伸电极需要将基底层预拉伸60％应变以上进行喷涂，敏感元件则需要基底层在释放状态下用喷涂工艺进行喷涂，第三层结构为封装介电层，第三层结构的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、橡胶、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)等柔性可拉伸透明材料，第三层结构附着在第二层结构上面，第三层结构沉积在第二层结构上面所用的方法为用涂膜器或涂布棒将液体状态下的柔性可拉伸透明材料刮涂在第二层上面，然后通过加热的方式使其固化，完成柔性可拉伸应变传感器的制备。
制作时，该传感器中的电极因为在拉伸状态下制备，释放后会形成褶皱结构，使用时，对其拉伸小于制备时拉伸的应变时，相当于将褶皱结构拉平，电极本身长度不变，没有裂纹的产生，因此其电阻不会发生变化或发生可忽略的微小变化。而可拉伸敏感元件则是在释放状态下制备，在拉伸时会使敏感元件产生一定的裂纹，从而使电阻发生较大的变化，从而可以通过电阻的变化测量应变的大小。
实例1：
本例制作柔性可拉伸应变传感器，具体包括以下步骤：
1)按照质量比10:1的比例将PDMS预聚体与固化剂混合，充分搅拌后将混合好的PDMS放入烧杯中，使用真空泵对其进行抽真空使其脱气，将其通过匀胶机将其旋涂在硅烷化处理后的4寸Si片上，匀胶机转速为1000r/min,然后将Si片放入烘箱70℃保持3小时后使其固化成膜。然后通过激光雕刻机对其进行刻蚀，得到50mm×50mm的正方形图形，然后将其从Si片上揭下将其拉伸60％应变后固定在硅烷化处理的Si片上。
2)用分析天平称取20mg的P3-SWNT分散在100mL的异丙醇中，使用超声机对碳管进行超声3h。使用细胞破碎机超声1h，使碳纳米管分散均匀；
3)将PDMS拉伸应变后的Si片与电极掩膜版贴合在一起，并在下方用磁铁将其紧密贴合，对PDMS进行2min氧等离子处理，将热板调至120℃，对Si片预热5min，将分散好的碳管用移液枪量取5ml装入喷笔后启动电动位移台进行喷涂，其中喷笔与样品距离为10cm，气瓶的气压为0.25Mpa。
4)将喷涂好电极层的PDMS释放，恢复初始状态，再将其固定在Si片上与敏感元件掩膜版贴合在一起，并在下方用磁铁将其紧密贴合，将离心好的碳管用移液枪量取2ml装入喷笔后启动电动位移台进行喷涂，其中喷笔与样品距离为10cm，气瓶的气压为0.25Mpa。
5)将喷涂后的PDMS放入烘箱抽真空后在100℃条件下烘烤1h。
6)将之前配好的液体PDMS通过涂布棒将敏感元件覆盖一层，放入烘箱80℃保持0.5小时后使其固化成膜完成器件的制备。
实例2：
与例1的不同之处在于：传感器基底层和封装层所用材料等参数不同。
本例制作柔性可拉伸应变传感器，具体包括以下步骤：
1)按照质量比1:3的比例将SEBS(日本旭化成公司，H1221)与甲苯混合，加入搅拌子，将其放入磁力搅拌器上在500r.p.m转速下充分搅拌90分钟后，将其通过匀胶机将其旋涂在覆盖一层PDMS的4寸Si片上，匀胶机转速为300r/min,然后将Si片在热板上60℃烘20min后使其固化成膜。然后通过激光雕刻机对其进行刻蚀，得到50mm×50mm的正方形图形，然后将其从Si片上揭下将其拉伸80％应变后固定在覆盖一层PDMS的Si片上。
2)用分析天平称取20mg的P3-SWNT分散在100mL的异丙醇中，使用超声机对碳管进行超声3h。使用细胞破碎机超声1h，使碳纳米管分散均匀；
3)将SEBS拉伸应变后的Si片与电极掩膜版贴合在一起，并在下方用磁铁将其紧密贴合，对SEBS进行2min氧等离子处理，将热板调至120℃，对Si片预热5min，将分散好的碳管用移液枪量取8ml装入喷笔后启动电动位移台进行喷涂，其中喷笔与样品距离为10cm，气瓶的气压为0.25Mpa。
4)将喷涂好电极层的SEBS释放，恢复初始状态，再将其固定在覆盖有一层PDMS的Si片上与敏感元件掩膜版贴合在一起，并在下方用磁铁将其紧密贴合，将离心好的碳管用移液枪量取2ml装入喷笔后启动电动位移台进行喷涂，其中喷笔与样品距离为10cm，气瓶的气压为0.25Mpa。
5)将喷涂后的SEBS放入烘箱抽真空后在100℃条件下烘烤1h。
6)将之前配好的SEBS溶液通过涂布棒将敏感元件覆盖一层，在热板上60℃条件下烘20min，完成器件的制备。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种柔性可拉伸应变传感器，包括柔性可拉伸基底层、形成在所述柔性可拉伸基底层上的可拉伸敏感元件以及连接在所述可拉伸敏感元件的两端的电极，其特征在于,所述电极设置成在所述可拉伸敏感元件处于释放状态时具有沿着所述柔性可拉伸应变传感器的可拉伸方向分布的可拉伸褶皱结构，所述褶皱结构在所述可拉伸敏感元件处于拉伸状态时沿着拉伸方向展平而至少部分地抵消所述电极受到的拉伸力，且在所述拉伸力消失时复原所述褶皱结构。
2.如权利要求1或2所述柔性可拉伸应变传感器，其特征在于,所述柔性可拉伸基底层的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、橡胶、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)中的一种或多种。
3.如权利要求1或2所述柔性可拉伸应变传感器，其特征在于,所述可拉伸敏感元件和/或所述电极的材料包括碳纳米管(CNT)、纳米银、石墨烯中的一种或多种。
4.如权利要求1或2所述柔性可拉伸应变传感器，其特征在于,所述可拉伸敏感元件和所述电极的材料为同一种材料。
5.如权利要求1或2所述柔性可拉伸应变传感器，其特征在于,还包括形成在所述柔性可拉伸基底层上的柔性封装层，所述柔性封装层覆盖所述可拉伸敏感元件。
6.如权利要求5所述柔性可拉伸应变传感器，其特征在于,所述柔性封装层的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、橡胶、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)中的一种或多种。
7.一种制备如权利要求1至6任一项所述的柔性可拉伸应变传感器的方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1、准备柔性可拉伸基底层；
S2、将所述柔性可拉伸基底层预拉伸后，在所述柔性可拉伸基底层上喷涂制作电极；
S3、将喷涂好所述电极的所述柔性可拉伸基底层释放，恢复初始状态，然后在所述柔性可拉伸基底层上喷涂制作可拉伸敏感元件。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于,步骤S2中，将所述柔性可拉伸基底层预拉伸到其可复原的最大应变程度的60％以上。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于,步骤S2包括：
将碳纳米管分散在异丙醇中，并进行超声处理获得使碳纳米管分散均匀的碳纳米管分散液；
将所述柔性可拉伸基底层预拉伸后，与电极掩膜版贴合在一起，对所述柔性可拉伸基底层进行氧等离子处理和预热处理，将所述碳纳米管分散液分散液通过所述电极掩膜版喷涂到所述柔性可拉伸基底层，以制作形成所述电极。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于,步骤S3包括：
将喷涂好所述电极的所述柔性可拉伸基底层释放，恢复初始状态，再将所述柔性可拉伸基底层与敏感元件掩膜版贴合在一起，将所述碳纳米管分散液通过所述敏感元件掩膜版喷涂到所述柔性可拉伸基底层，以制作形成所述可拉伸敏感元件。
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