CN110081995B - 基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器及其制备方法。所述温度传感器包括：柔性基底、裂纹层、传导层以及测温层；所述测温层用于根据温度变化发生弯曲形变，所述裂纹层上设置有若干个裂纹，所述传导层包括分别设置在所述裂纹两侧的第一电容器电极和第二电容器电极，所述传导层用于根据所述第一电容器电极和所述第二电容器电极之间的电容变化值得到温度变化值。当待测物体温度发生微小变化时，测温层发生弯曲形变。第一电容器电极与第二电容器电极的电容值改变，从而利用电容对温度进行表征，实现对温度的检测。裂纹结构使得温度传感器具有超高的灵敏性，足以满足温度传感器对灵敏度的要求。

Description

基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及温度传感器技术领域，尤其涉及的是一种基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，尤其是物联网以及智能控制技术的发展。各类传感器显示出其独有的优势与特点，被广泛地应用于各种先进的机械设备和系统中，发挥着极其重要的作用。而具备高灵敏度、高稳定性的传感器更是受到了人们的关注。

柔性应变传感器具有可弯曲拉伸以及可收缩的特性，并能将其形变以及所受的力转化成电信号。因此，根据不同物理量之间的转换关系，应变传感器由最初的检测力以及形变，可以经过简单的转换，检测各种不同的物理量。如将力与压力和压强转换，可以变成压力传感器；与加速度转换，可变成加速度传感器。而温度作为一种常见的物理量，也可以与形变进行转换，从而变成温度传感器。

现有技术中，将温度转换成形变再去检测，就比常规的直接检测多了一个步骤，因此会对其灵敏度造成影响，使其灵敏度不足以满足需要。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器及其制备方法，旨在解决现有技术中温度传感器灵敏度差的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其中，包括：柔性基底、设置在所述柔性基底上的裂纹层、设置在所述裂纹层上的传导层以及设置在所述传导层上的测温层；所述测温层用于根据温度变化发生弯曲形变，所述裂纹层上设置有若干个裂纹，所述传导层包括分别设置在所述裂纹两侧的第一电容器电极和第二电容器电极，所述传导层用于根据所述第一电容器电极和所述第二电容器电极之间的电容变化值得到温度变化值。

所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其中，所述测温层包括：设置在所述传导层上的绝缘层和设置在所述绝缘层上的热双金属片；所述绝缘层不导电且用于隔热。

所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其中，所述热双金属片包括：设置在所述绝缘层上的被动层和设置在所述被动层上的主动层；所述被动层的热膨胀系数小于所述主动层的热膨胀系数。

所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其中，所述第一电容器电极与所述第二电容器电极之间的电容变化值为：

其中，N为裂纹数量，K为静电力常量，d为未发生形变时温度传感器的裂纹宽度，α为主动层的热膨胀系数，ΔT为温度变化值，S为裂缝一侧的面积，ε为介电常数。

所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其中，所述传导层的厚度为10nm-100nm。

所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其中，所述传导层采用金、银、铂中的一种或多种制成。

所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其中，所述柔性基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，所述裂纹层采用聚二甲基硅氧烷或环氧树脂制成。

所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其中，所述第一电容器电极的长度与所述裂纹的长度一致。

所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其中，所述裂纹的截面呈V形。

一种基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器的制备方法，其中，包括如下步骤：

在柔性基底上旋涂柔性材料并固化；

在固化的柔性材料上覆盖掩膜版后进行镀膜；

去除掩膜版后采用激光穿过镀膜在固化的柔性材料上刻蚀得到裂纹，从而使得镀膜形成传导层，固化的柔性材料形成裂纹层；

在传导层上设置测温层。

有益效果：当待测物体温度发生微小变化时，测温层做出反应，发生弯曲形变。第一电容器电极与第二电容器电极的间距也发生变化而导致电容值改变，从而利用电容对温度进行表征，实现对温度的检测。由于微纳尺寸的裂纹结构，使得温度传感器具有超高的灵敏性，足以满足温度传感器对灵敏度的要求。

附图说明

图1是本发明中温度传感器的立体图。

图2是本发明中温度传感器的截面图。

图3是本发明中柔性基底和裂纹层的立体图。

图4是本发明中金属块和引出接线的结构示意图。

图5是本发明中电容器电极和引出接线的结构示意图。

图6是本发明中电容器电极和引出接线的立体图。

图7是本发明中温度传感器向下弯曲时的截面图。

图8是本发明中温度传感器向上弯曲时的截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图1-图8，本发明提供了一种基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器的一些实施例。

根据仿生学的研究，蝎子的缝感受器是一种极为敏感的机械感受器，具有超高的灵敏性。因此，根据蝎子的缝感受器的外观结构，对常规的应变传感器进行加工，制成了具有微纳尺寸裂纹结构的柔性应变传感器。使应变传感器具有超高的灵敏性，足以满足温度传感器对灵敏度的要求。

如图1-图2所示，本发明的一种基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，包括：柔性基底10、设置在所述柔性基底10上的裂纹层20、设置在所述裂纹层20上的传导层30以及设置在所述传导层30上的测温层40；所述测温层40用于根据温度变化发生弯曲形变，所述裂纹层20上设置有若干个裂纹21，所述传导层30包括分别设置在所述裂纹21两侧的第一电容器电极31和第二电容器电极32，所述传导层30用于根据所述第一电容器电极31和所述第二电容器电极32之间的电容变化值得到温度变化值。

值得说明的是，当待测物体温度发生微小变化时，测温层40做出反应，发生弯曲形变。因为测温层40紧贴传导层30上，所以基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器(以下简称温度传感器)整体会跟随测温层40产生形变。裂缝间距也发生变化，从而第一电容器电极31与第二电容器电极32之间的电容值改变，从而利用电容对温度进行表征，实现对温度的检测。

本发明提供的温度传感器，由于具有微纳尺寸的裂纹结构，使温度传感器具有超高的灵敏性，足以满足温度传感器对灵敏度的要求。本发明的温度传感器，可用于关键部件细小温度变化检测，具有灵敏度高，精确度高、适用范围广等优点。

如图3所示，由于裂纹21有若干个，若干个裂纹21依次排列，第一电容器电极31和第二电容器电极32也分别有若干个，第一电容器电极31均位于裂纹21的左侧，相对的，第二电容器电极32均位于裂纹21的右侧。各第一电容器电极31采用第一引出接线33连接，各第二电容器电极32采用第二引出接线34连接。第一引出接线33和第二引出接线34分别连接电源的两极(正极和负极)，两个电容器电极之间的电容值与两个电容器电极之间的间距有关，间距增大时，电容值减小；间距变小时，电容值增大。裂纹数量越多，传感器灵敏度越高。

温度传感器采用如下步骤制成：

S100、在柔性基底10上旋涂柔性材料并固化。

具体地，柔性基底10可以采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，当然也可以采用其它柔性材料制成。柔性基底的作用是防止裂纹层中的裂纹进一步向下扩展，保护传感器不断裂。在柔性基底10上旋涂的柔性材料可以是聚二甲基硅氧烷或环氧树脂，在柔性材料固化后形成无裂纹21的柔性材料层。

更具体地，在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上均匀涂抹聚二甲基硅氧烷(PDMS)或环氧树脂，使用旋涂机进行旋涂，以1000r/min的转速旋涂40s，再以1500r/min的转速旋涂10s。得到极薄的薄膜，静置24h，等待样品固化，获得无裂纹21的柔性材料层。

S200、在固化的柔性材料上覆盖掩膜版后进行镀膜。

如图4所示，在柔性材料层上借助掩膜版，使用离子溅射仪，在柔性材料层上镀膜。由于借助掩膜版，每两个相邻的金属块300间留有空隙，金属块300间无电流通过，当然，第一引出接线33和第二引出接线34可以通过镀膜一起形成。所述金属块300采用金、银、铂中的一种或多种制成，也就是说，离子溅射仪可以溅射金、银、铂中的一种或多种材料，溅射形成金属块300的厚度为10nm-100nm，优选地，厚度为50nm。

S300、去除掩膜版后采用激光穿过镀膜在固化的柔性材料上刻蚀得到裂纹21，从而使得镀膜形成传导层30，固化的柔性材料形成裂纹层20。

如图5和图6所示，利用飞秒激光，在合适的位置加工裂纹21。激光贯穿金属块300，并在柔性材料层上生成裂纹21，从而形成裂纹层20，金属块300被分成两块，也即第一电容器电极31和第二电容器电极32，从而使得金属块300形成传导层30。此时裂纹21的长度和电容器电极的长度保持一致。如图2所示，裂纹21的截面呈V形。如图3所示，裂纹21为不通裂纹，两头均未贯通裂纹层20，引出接线位于裂纹外。

S400、在传导层30上设置测温层40。

测温层40包括：设置在所述传导层30上的绝缘层41和设置在所述绝缘层41上的热双金属片42；绝缘层41的厚度在0.01-0.05mm，所述绝缘层41不导电且用于隔热，绝缘层41位于测温层40与传导层30之间，并且能隔绝电子防止热双金属导电影响传导层30电容变化。具体地，先在传导层30上设置(粘贴)绝缘层41，然后在绝缘层41上设置(粘贴)热双金属片42。测温层40与传导层30的大小匹配，测温层40可覆盖传导层30，但并不覆盖引出接线。

热双金属片42包括：设置在所述绝缘层41上的被动层和设置在所述被动层上的主动层；所述被动层的热膨胀系数小于所述主动层的热膨胀系数。当然也可以根据需要变换主动层和被动层的上下位置，也可以根据不同的测量环境(测量温度区间)可更换不同成分的热双金属。主动层和被动层可以是单层金属箔材，也可以是多层金属箔材，金属箔材的厚度为0.005-0.008mm。金属箔材采用金、银、铝、铜、镍、铁、钽、铌、钨、钼中的一种或多种金属制成。热双金属片42可以贴在人体表面，从而温度传感器可以检测人体表面细微的温度变化。

具体地，所述第一电容器电极31与所述第二电容器电极32之间的电容变化值为：

其中，N为裂纹21数量，K为静电力常量，d为未发生形变时温度传感器的裂纹21宽度，α为主动层的热膨胀系数，ΔT为温度变化值，S为裂缝一侧的面积，ε为介电常数。

当待测物体温度发生微小变化时，测温层40部分做出反应，即热双金属发生弯曲。因为测温层40紧贴在绝缘层41和传导层30之上，所以传感器整体会跟随测温层40产生形变。如图7所示，当温度升高时，因主动层在上，测温层40向下弯曲，传感器也随之向下弯曲，裂缝间距增大，电容减小；如图8所示，当温度降低时，测温层40向上弯曲，传感器也随之向上弯曲，裂缝间距减小，电容增大。从而利用电容对温度进行表征，实现对温度的检测。温度传感器可用于检测微小温度变化，具有稳定性好、灵敏度高。

本发明还提供了基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器的制备方法的较佳实施例：

本发明实施例的一种基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤S100、在柔性基底10上旋涂柔性材料并固化，具体如上所述。

步骤S200、在固化的柔性材料上覆盖掩膜版后进行镀膜，具体如上所述。

步骤S300、去除掩膜版后采用激光穿过镀膜在固化的柔性材料上刻蚀得到裂纹21，从而使得镀膜形成传导层30，固化的柔性材料形成裂纹层20，具体如上所述。

步骤S400、在传导层30上设置测温层40，具体如上所述。

综上所述，本发明所提供的一种基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器及其制备方法。所述温度传感器包括：柔性基底、设置在所述柔性基底上的裂纹层、设置在所述裂纹层上的传导层以及设置在所述传导层上的测温层；所述测温层用于根据温度变化发生弯曲形变，所述裂纹层上设置有若干个裂纹，所述传导层包括分别设置在所述裂纹两侧的第一电容器电极和第二电容器电极，所述传导层用于根据所述第一电容器电极和所述第二电容器电极之间的电容变化值得到温度变化值。当待测物体温度发生微小变化时，测温层做出反应，发生弯曲形变。第一电容器电极与第二电容器电极的间距也发生变化而导致电容值改变，从而利用电容对温度进行表征，实现对温度的检测。由于微纳尺寸的裂纹结构，使得温度传感器具有超高的灵敏性，足以满足温度传感器对灵敏度的要求。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其特征在于，包括：柔性基底、设置在所述柔性基底上的裂纹层、设置在所述裂纹层上的传导层以及设置在所述传导层上的测温层；所述测温层用于根据温度变化发生弯曲形变，所述裂纹层上设置有若干个裂纹，所述传导层包括分别设置在所述裂纹两侧的第一电容器电极和第二电容器电极，所述传导层用于根据所述第一电容器电极和所述第二电容器电极之间的电容变化值得到温度变化值。

2.根据权利要求1所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其特征在于，所述测温层包括：设置在所述传导层上的绝缘层和设置在所述绝缘层上的热双金属片；所述绝缘层不导电且用于隔热。

3.根据权利要求2所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其特征在于，所述热双金属片包括：设置在所述绝缘层上的被动层和设置在所述被动层上的主动层；所述被动层的热膨胀系数小于所述主动层的热膨胀系数。

4.根据权利要求3所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其特征在于，所述第一电容器电极与所述第二电容器电极之间的电容变化值为：

其中，N为裂纹数量，K为静电力常量，d为未发生形变时温度传感器的裂纹宽度，α为主动层的热膨胀系数，ΔT为温度变化值，S为裂纹一侧的面积，ε为介电常数。

5.根据权利要求1所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其特征在于，所述传导层的厚度为10nm-100nm。

6.根据权利要求1所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其特征在于，所述传导层采用金、银、铂中的一种或多种制成。

7.根据权利要求1所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其特征在于，所述柔性基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，所述裂纹层采用聚二甲基硅氧烷或环氧树脂制成。

8.根据权利要求1所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其特征在于，所述第一电容器电极的长度与所述裂纹的长度一致。

9.根据权利要求1所述的基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器，其特征在于，所述裂纹的截面呈V形。

10.一种基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在柔性基底上旋涂柔性材料并固化；

在固化的柔性材料上覆盖掩膜版后进行镀膜；

去除掩膜版后采用激光穿过镀膜在固化的柔性材料上刻蚀得到裂纹，从而使得镀膜形成传导层，固化的柔性材料形成裂纹层；

在传导层上设置测温层。

Images