CN110132120A - 一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器 - Google Patents

一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器 Download PDF

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Abstract

一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器设置有两层可拉伸的导电电极和位于两层可拉伸导电电极之间的可拉伸的有机‑无机复合介质层。该传感器可以成为立体的传感器，该传感器能发生拉伸形变还能发生挤压形变。通过该传感器可以直接获得对外界压力或者拉伸应力变化的感应，无需后端信号放大电路就能获得灵敏的信号，该传感器能够有效的提高灵敏度。该传感器能发生厚度减少形变还能发生厚度增加形变方式。再者本发明的传感器拥有优异的灵敏度，并且灵敏度可以通过不同的有机‑无机复合介质层实现调整，可应用于多种环境，拥有普适性。

Description

一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器
技术领域
本发明涉及介电材料与传感器件工程领域，特别是涉及一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器。
背景技术
在可预见的未来，电子设备与人类的联系将愈发紧密，电子设备将会通过与人类更多的接触，实现更加先进便捷的健康检测、信息获取和作为人与机器之间的桥梁等功能。以电子皮肤为代表的可穿戴设备作为可以直接与人身体接触，可直接贴合在皮肤上的一类电子设备而成为电子领域的新兴研究热点。
传统的压力传感器主要原理可以分为以下五种：压阻式压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电式压力传感器。无论以上是哪一类传统压力传感器都不能实现柔性拉伸，严重地限制了它们的应用。并且它们一般只能感应压力形变而不能同时感应拉伸应变，这样对于一些要求较高的领域就无形的增加了生产成本，并且同时增加了系统的复杂程度，对产品的质量、稳定性、寿命等指标都会产生不好的影响。
可拉伸的压力和拉伸形变传感器是作为电子皮肤的一种核心传感器，它是一种可以将压力形变或者拉伸应变转化成电信号，相比于传统的传感器，它既可以感应压力又可以感应拉伸应力，在一些康复医疗、智能机器人、可穿戴设备或者柔性电子等新兴的领域相比于不可拉伸的传统传感器有更加广阔的应用前景。
现有技术中的压力拉伸形变传感器普遍采用在两层电极之间夹设介电常数小于3.9的有机弹性介电材料。由于作为可拉伸式压力及拉伸形变传感器的材料必须满足能够拉伸的要求，而现有技术中满足能够拉伸条件、适合作为中间层的弹性介电材料非常有限，且介电常数通常低于3.9。这种现况导致现有技术中的压力拉伸形变传感器感应到电信号变化不大，在宏观的表现这些压力拉伸形变传感器的灵敏度不高，在使用时需要配置信号放大电路对信号放大后才能有效区分信号的变化。由于现有技术中介电常数通常高于3.9的无机介电材料往往无法满足拉伸要求，不适合单独作为可拉伸式压力及拉伸形变传感器的介电材料。此外，现有可拉伸式压力及拉伸形变传感器是通过在压力或拉伸状态下使介电材料厚度改变来改变电容，它们在压力或拉伸状态下不会改变介电常数，因此不能同时改变厚度和介电常数使电容改变量放大。
现有技术中，可拉伸电极材料通常采用碳纳米管、金属纳米颗粒、金属纳米线、平面二维导电材料或炭黑。其中碳纳米管的电导较低且厚度比较薄，金属纳米颗粒的可拉伸性较差，金属纳米线电导率高，但在拉伸或压缩时容易断裂；平面二维导电材料的拉伸量较小，炭黑的电导率较低。此外，这些传统的可拉伸电极材料通常具有平面或网状结构，当从侧面拉伸或从上下底面挤压时，传感器厚度减少时，对电导率的影响大；但从侧面挤压或者上下底面拉伸容易出现断裂现象，造成信号失真。
同时现有技术中的介质层的介电常数小，为了避免造成电容的大幅度下降，所以介质层的厚度不能做得太厚。而现有技术的可拉伸电极材料为平面或网状结构，所以这些结构的厚度也较薄，一般只有几十纳米。所以现有技术的传感器只局限于平面结构而无法构筑成立体器件，因此这些传感器只能发生厚度减少的单一形变种类，而不能发生厚度增加的形变种类。
因此针对现有技术不足，提供一种性能良好的可拉伸式压力及拉伸形变传感器以解决现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器。该可拉伸式压力及拉伸形变传感器灵敏度高，不需要通过后续的放大电路就能够直接感应压力、拉伸的形变信号。
本发明的上述目的通过以下技术措施实现：
提供一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器,设置有两层可拉伸的导电电极和位于两层可拉伸导电电极之间的可拉伸的有机-无机复合介质层。
所述可拉伸导电电极包含竖直结构的二维导电材料、竖直结构的片状金属材料或者为包覆结构的固液双相导电材料中的至少一种。
优选的，上述竖直结构的二维导电材料，具体为竖直结构的石墨烯。
所述包覆结构的固液双相导电材料，具体的液相为镓，固相为银；或者
所述包覆结构的固液双相导电材料的，具体的液相为镓，固相为片状金属。
优选的，上述有机-无机复合介质层为无机材料颗粒分散于有机介电材料中。需要说明的是，这里的颗粒是指粒径或管径小于500纳米的纳米粒子、纳米棒或纳米线。
优选的，上述有机-无机复合介质层在受到外力的拉伸或者挤压时，相对于未受到外力的拉伸或者挤压时发生厚度变化，且有机-无机复合介质层中的无机材料颗粒之间的分布更紧凑，同时受到外力拉伸或者挤压时的有机-无机复合介质层的介电常数大于未受到外力拉伸或者挤压时的有机-无机复合介质层的介电常数。
优选的，上述的无机材料为无机介电材料或碳纳米管。
优选的，上述有机介电材料为弹性体。
本发明的可拉伸式压力及拉伸形变传感器,能感应压力及拉伸形变力的大小，且能分辨传感器的形变方式。
当传感器感应到电容变化量值为负数时，判断传感器发生厚度增大的形变方式，当传感器感应到电容变化量值为正数时，判断传感器发生厚度减小的形变方式。
本发明的可拉伸式压力及拉伸形变传感器,为呈立体传感器。
优选的，上述可拉伸导电电极掺杂有碳纳米管、金属纳米粒子或者金属纳米线中至少一种。优选的，上述有机-无机复合介质层的厚度范围为500纳米至10微米。
优选的，上述导电电极的厚度范围为1微米至100微米。
本发明的可拉伸式压力及拉伸形变传感器，还设置有可拉伸衬底、修饰层或者界面层中至少一种。
优选的，上述可拉伸导电电极通过溶液法加工制备，所述有机-无机复合介质层通过热成型加工制备或者溶液法加工制备。
本发明的一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器,设置有两层可拉伸的导电电极和位于两层可拉伸导电电极之间的可拉伸的有机-无机复合介质层。所述可拉伸导电电极包含竖直结构的二维导电材料、竖直结构的片状金属材料或者为包覆结构的固液双相导电材料中的至少一种。该可拉伸式压力及拉伸形变传感器为能感应压力及拉伸形变力的大小，并能分辨形变方式。无机材料和有机材料复合的介质层的介电常数高，同时有机-无机复合介质层的介电常数随外界压力或者拉伸应力变化明显增大。通过该传感器可以直接获得对外界压力或者拉伸应力变化的感应，无需后端信号放大电路就能获得灵敏的信号，该传感器能够有效的提高灵敏度。因为本发明的有机-无机复合介质层的介电常数较高，所以有机-无机复合介质层与现有技术相比，厚度可以大大增加。同时本发明的可拉伸导电电极与现技术的平面或网状结构，其厚度也可以增加千倍以上。该传感器可以成为立体的传感器，该传感器能发生厚度减小的形变方式还能发生厚度增加的形变方式，该传感器能够通过电容变化量数值的正负性分辨形变方式。
本发明的传感器具有可拉伸性，同时兼具压力和拉伸应变的感应。再者本发明的传感器拥有优异的灵敏度，并且灵敏度可以通过不同的有机-无机复合介质层实现调整，可应用于多种环境，拥有普适性。此外，本发明的电极材料中，竖直结构的石墨烯具有拉伸量大的优势，竖直结构的片状金属具有电导率高的优势，固液双相纳米粒子具有电导率高、型变大的优势，固液双相纳米粒子结合一维纳米导电材料具有电导率高、不易破裂、不易拉断的优势。
附图说明
利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明的一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器的部分结构示意图。
图2是本发明传感器在挤压和拉伸时的电容变化图。
图3为图2的电容相对变化量图。
图4为本发明传感器的厚度减少形变，图4中的(a)为受到侧面的拉伸力，图4中的(b)为受到上下底面的挤压力。
图5为本发明传感器的厚度增加形变，图5中的(a)为受到侧面的挤压力，图5中的(b)为受到上下底面的拉伸力。
图6是现有技术的传感器在受压时的电容变化图。
图7是本发明的介质层为有机材料的传感器在受压时的电容变化图。
图8是实施例5得到的直立型石墨烯电极的扫描电镜图。
图9为实施例5的PDMS-钛酸钡复合介质层的相对介电常数与钛酸钡的掺杂量的关系图。
图10为实施例10的PDMS-SWCNT复合介质层的相对介电常数与钛酸钡的掺杂量的关系图。
在图1至图10中，包括有：
可拉伸导电电极1、
有机-无机复合介质层2、无机材料21、有机材料22。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1。
一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器，如图1至7所示，设置有两层可拉伸的导电电极和位于两层可拉伸导电电极1之间的可拉伸的有机-无机复合介质层2。
本发明的可拉伸导电电极1包含竖直结构的二维导电材料、竖直结构的片状金属材料或者为包覆结构的固液双相导电材料中的至少一种，优选两种或者两种以上。本实施例的可拉伸导电电极1具体包含竖直结构的二维导电材料和包覆结构的固液双相导电材料。
需说明的是，本发明的可拉伸导电电极1可以具有竖直结构的二维导电材料、竖直结构的片状金属材料或者为包覆结构的固液双相导电材料中的任意一种，也可两种或者为全部，具体的实施方式根据实际情况而定。
本发明的竖直结构的二维导电材料，如竖直结构的石墨烯、二硫化钼等。本发明的竖直结构的片状金属材料，如片状银、片状金等。
本发明的可拉伸导电电极1掺杂有碳纳米管、金属纳米粒子或者金属纳米线中至少一种。本实施例的可拉伸导电电极1具体掺杂有碳纳米管。
需说明的是，本发明的可拉伸导电电极1可以掺杂碳纳米管，也可以掺杂金属纳米粒子或者金属纳米线，也可以为上述三种的任意两种，也可以为三种全部掺杂，具体的实施方式根据实际情况而定。
本发明的传感器可以设置为两层可拉伸的导电电极和一层有机-无机复合介质层2，还可以具有衬底、缓冲层、界面层或者其它功能层等。具体的，本实施例的传感器设置有可拉伸衬底。
本发明的导电电极的厚度范围为1微米至100微米。本实施例的导电电极的厚度具体为20微米。需说明的是，本发明的导电电极的厚度可以为20微米，也可以为1微米、5微米、10微米、25微米、40微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米等，只要满足厚度为1微米至100微米的范围内的任意厚度都可以，具体的实施方式根据实际情况而定。
本发明的有机-无机复合介质层的厚度范围为500纳米至10微米。本实施例的有机-无机复合介质层的厚度具体为600纳米。需说明的是，本发明的有机-无机复合介质层的厚度可以为600纳米，也可以为500纳米、700纳米、800纳米、900纳米、1微米、2微米、3微米、4微米、5微米、7微米、10微米等，只要满足厚度为500纳米至10微米的范围内的任意厚度都可以，具体的实施方式根据实际情况而定。
因为本发明的有机-无机复合介质层2的介电常数较高，所以有机-无机复合介质层2与现有技术相比，厚度可以大大增加。同时本发明的可拉伸导电电极1与现技术的平面或网状结构，其厚度也可以增加千倍以上。
本发明的可拉伸式压力及拉伸形变传感器能感应压力及拉伸形变力的大小，且能分辨形变方式。该传感器可以成为立体的传感器，该传感器能发生厚度减少的形变方式还能发生厚度增加的形变方式。当传感器感应到电容变化量值为负数时，判断传感器发生厚度增大的形变方式，当传感器感应到电容变化量值为正数时，判断传感器发生厚度减小的形变方式。
图2和3中，在0s到30s范围内可拉伸式压力及拉伸形变传感器发生多次厚度增加形变，从整体外观来说可拉伸式压力及拉伸形变传感器厚度变大，如图5，此时传感器的电容值相对于未受外力作用前状态时的电容值变小；在30s到65s范围内可拉伸式压力及拉伸形变传感器发生多次厚度减少形变，从整体外观来说可拉伸式压力及拉伸形变传感器厚度变薄，如图4，此时传感器的电容值相对于未受外力作用前状态时的电容值变大。从图3中可以看出当传感器的形变方式是厚度增加时，电容相对变化量为负数；当传感器的形变方式是厚度减少时，电容相对变化量为正数。
本发明的有机-无机复合介质层为无机材料颗粒分散于有机介电材料中。本实施例具体的有机-无机复合介质层2中无机介电材料分散于有机材料22中。
需说明的是，也可以有机-无机复合介质层2中碳纳米管分散于有机材料22中。
有机-无机复合介质层2在受到外力的拉伸或者挤压时，相对于未受到外力的拉伸或者挤压时厚度变薄，且有机-无机复合介质层2中的无机介电材料或者碳纳米管之间的分布更紧凑，同时受到外力拉伸或者挤压时的有机-无机复合介质层2的介电常数大于未受到外力拉伸或者挤压时的有机-无机复合介质层2的介电常数。
有机-无机复合介质层2中无机材料21颗粒分散于有机材料22中。本发明优选是无机材料21颗粒均匀分散于有机材料22中。无机材料21为介电常数大于3.9的无机材料21。
本发明的可拉伸导电电极1通过溶液法加工制备，有机-无机复合介质层2可通过热成型加工制备或者溶液法加工制备。
现有技术的三层三明治结构的电容式压力和拉伸形变传感器，这些传感器使用的介电层材料为有机材料22，例如硅橡胶等。有机材料22的介电常数都极低(ε<3.9)，所以当受到拉伸力或压力时，电容变化程度并不是很明显，相应的电信号的变化并不是很大，宏观的表现就是器件的灵敏度不高，因此这些传感器在大多数情况下需要信号放大电路才能区分信号的变化。
本发明的原理是介电常数大的无机材料21呈微小颗粒状分散于介电常数较低的有机材料22中，当传感器受到压力或者拉伸时厚度变薄，无机材料21颗粒与相邻的无机材料21颗粒的距离变小，整体有机-无机复合介质层的介电常数变大，从而提高灵敏度；当压力或者拉伸撤离后，无机材料21颗粒与相邻的无机材料21颗粒的距离还原。
从图4和图5可知，本发明的可拉伸式压力及拉伸形变传感器对压力较敏感；而现有技术的传感器在压力比较小时(压力物<2000g)，电容的大小随压力物的重量变化不明显，即难以分辨压力大小。这说明本发明的有机-无机复合介质层2能够放大传感器对压力的感应，增加感应灵敏度，即便在压力比较小的时候，它依然能够灵敏地分辨压力大小。
本发明的有机-无机复合介质层2为无机材料21和有机材料22复合的介质层。无机材料21和有机材料22复合的介质层的介电常数高，同时有机-无机复合介质层2的介电常数随外界压力或者拉伸应力变化增大明显。通过该传感器可以直接获得对外界压力或者拉伸应力变化的感应，无需后端信号放大电路就能获得灵敏的信号，该传感器具有灵敏度高的特点。外力能够使得该传感器能发生厚度减少的形变方式，也能发生厚度增加的形变方式。本发明的传感器拥有可拉伸性，同时兼顾压力和拉伸应变的感应。再者本发明的传感器拥有优异的灵敏度，并且灵敏度可以通过不同的有机-无机复合介质层2实现调整，可应用于多种环境，拥有普适性。
实施例2。
一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器，其他特征与实施例1相同，不同之处在于：可拉伸导电电极1为竖直结构的石墨烯。
相比平面石墨烯，直立型结构石墨烯具有拉伸量大的优势，直立型结构石墨烯能够避免因拉伸而造成结构断裂。同时直立型结构石墨烯具有拉伸量大、电导率高、柔软、不易断裂的特点，在各类电极材料中具有最大的优势。
采用竖直结构的石墨烯，整体可拉伸式压力及拉伸形变传感器的灵敏度高，且能够通过探测到传感器电容变化得到受力情况及外力的作用方式。
实施例3。
一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器，其他特征与实施例1相同，不同之处在于：可拉伸导电电极1为竖直结构的片状金属，如竖直结构的片状银金属、竖直结构的片状金金属等。
竖直结构的片状金属的优势在于其电导率较高，作为电极材料配合中间层的结构，整体传感器可以做成立体结构，且灵敏度高。
实施例4。
一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器，其他特征与实施例1相同，不同之处在于：可拉伸导电电极1为包覆结构的固液双相导电材料。
本发明的包覆结构的固液双相导电材料的液相为镓，固相为银；或者液相为镓固相为片状金属。本实施例的液相为镓固相为银。
与实施例1相比，本实施例增加了可拉伸导电电极1的材料多样性，固液双相纳米粒子结合一维纳米导电材料的优点，具有电导率高、不易破裂和不易拉断的优势。
实施例5。
一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器，使用直立型石墨烯作为可拉伸电极材料。
先使用CVD法先在长有镍的硅片上生长一层直立型石墨烯，厚度在1～5微米范围内，图8是制备好的直立型石墨烯的SEM图，然后将按照质量比10：1混合好预聚物和固化剂，搅拌均匀直接倒在硅片上。然后放入平整的真空烘箱中在真空环境下加热固化4h。
固化后，将硅片取出浸泡在浓度为0.2M氯化铁溶液中，目的是将镍金属腐蚀掉，从而将带有直立型石墨烯电极的PDMS薄膜与硅片分离开，用相同的方法制备两片带有直立型石墨烯电极的PDMS作为上下电极。
将钛酸钡纳米颗粒(粒径在30～50nm)均匀分散在四氢呋喃(THF)溶剂中，然后向分散液中加PDMS的预聚物与固化剂的混合物，搅拌1h使PDMS完全溶解。将制备好的分散液倒在直立型石墨烯电极上，50℃下挥发溶剂30min，这时剩下的是一层几微米厚的未固化的带有均匀分散钛酸钡纳米颗粒的PDMS，然后将另外一层电极盖在上方，放入烘箱中70℃固化4h得到可拉伸式压力及拉伸形变传感器。所制备的PDMS-钛酸钡复合介质层的相对介电常数与钛酸钡的掺杂量的关系，如图9所示。
本发明的有机-无机复合介质层2为无机材料21和有机材料22复合的介质层。无机材料21和有机材料22复合的介质层的介电常数高，同时有机-无机复合介质层2的介电常数能够随外界压力或者拉伸应力变化增大明显。通过该传感器可以直接获得对外界压力或者拉伸应力变化的感应，无需后端信号放大电路就能获得灵敏的信号，该传感器能够有效的提高灵敏度。本发明的传感器具有可拉伸性，同时兼具对压力和拉伸应变的感应。再者本发明的传感器拥有优异的灵敏度，并且灵敏度可以通过不同的有机-无机复合介质层2实现调整，可应用于多种环境，普适性好。
实施例6。
一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器，使用PDMS与氧化钛纳米颗粒的混合物作为有机-无机复合介质2。
使用直立型石墨烯作为可拉伸电极材料，制备方法同实施例5。将金红石相、粒径在40nm的氧化钛纳米颗粒均匀分散在四氢呋喃(THF)溶剂中，然后向分散液中加如30％PDMS的预聚物与固化剂的混合物，搅拌1h使PDMS完全溶解。将制备好的分散液倒在直立型石墨烯电极上，50℃下挥发溶剂30min，这时剩下的是一层几微米厚的未固化的带有均匀分散氧化钛纳米颗粒的PDMS，然后将另外一层电极盖在上方，放入烘箱中70℃固化4h，最后得到可拉伸式压力及拉伸形变传感器。
本发明的有机-无机复合介质层2为无机材料21和有机材料22复合的介质层。无机材料21和有机材料22复合的介质层的介电常数高，同时有机-无机复合介质层2的介电常数能够随外界压力或者拉伸应力变化增大明显。通过该传感器可以直接获得对外界压力或者拉伸应力变化的感应，无需后端信号放大电路就能获得灵敏的信号，该传感器具有灵敏度高的特点。本发明的传感器具有可拉伸性，同时兼具对压力和拉伸应变的感应。再者本发明的传感器拥有优异的灵敏度，并且灵敏度可以通过不同的有机-无机复合介质层2实现调整，可应用于多种环境，拥有普适性。
实施例7。
一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器，使用PDMS与氧化锆纳米棒的混合物作为有机-无机复合介质2。
使用直立型石墨烯作为可拉伸电极材料，制备方法同实施例5，进一步在直立型石墨烯中掺杂碳纳米管作为可拉伸导电电极1。制备方法如下：使用喷涂的方法直立型石墨烯上喷涂碳纳米管，使碳纳米管嵌入直立型石墨烯中。这里使用的碳纳米管的分散液是将直径为2nm的碳纳米管分散在NMP中。
将氧化锆纳米棒颗粒(棒直径为在30nm，长度为100nm)均匀分散在四氢呋喃(THF)溶剂中，然后向分散液中加如质量分数为30％PDMS的预聚物与固化剂的混合物，搅拌1h使PDMS完全溶解。将制备好的分散液倒在直立型石墨烯电极上，在50℃的温度条件下挥发溶剂30min，这时剩下的是一层几微米厚的未固化的带有均匀分散氧化锆纳米棒的PDMS，然后将另外一层电极盖在上方，放入烘箱中70℃固化4h，最后得到可拉伸式压力及拉伸形变传感器。
本发明的有机-无机复合介质层2为无机材料21和有机材料22复合的介质层。无机材料21和有机材料22复合的介质层的介电常数高，同时有机-无机复合介质层2的介电常数能够随外界压力或者拉伸应力变化增大明显。通过该传感器可以直接获得对外界压力或者拉伸应力变化的感应，无需后端信号放大电路就能获得灵敏的信号，该传感器能够有效的提高灵敏度。本发明的传感器拥有可拉伸性，同时兼顾压力和拉伸应变的感应。再者本发明的传感器拥有优异的灵敏度，并且灵敏度可以通过不同的有机-无机复合介质层2实现调整，可应用于多种环境，拥有普适性。
实施例8。
一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器，使用TPU与钛酸钡纳米颗粒作为有机-无机复合介质2。
使用直立型石墨烯作为可拉伸电极材料，制备方法同实施例5，进一步在直立型石墨烯中掺杂银纳米线作为可拉伸导电电极1。制备方法如下：使用喷涂的方法直立型石墨烯上喷涂银纳米线，使银纳米线嵌入直立型石墨烯中。
将钛酸钡纳米颗粒(直径在30～50nm范围内)均匀分散在乙二醇单甲醚(2-ME)溶剂中，然后向分散液中加入质量分数为50％的TPU弹性体，在50℃下搅拌12h使TPU完全溶解在分散液中。将制备好的分散液倒在直立型石墨烯电极上，50℃下挥发溶剂30min，这时剩下的是一层几微米厚的带有均匀分散氧化硅纳米棒的TPU，最后将另外一层电极盖在上方，最后得到可拉伸式压力及拉伸形变传感器。
本发明的有机-无机复合介质层2为无机材料21和有机材料22复合的介质层。无机材料21和有机材料22复合的介质层的介电常数高，同时有机-无机复合介质层2的介电常数能够随外界压力或者拉伸应力变化增大明显。通过该传感器可以直接获得对外界压力或者拉伸应力变化的感应，无需后端信号放大电路就能获得灵敏的信号，该传感器能够有效的提高灵敏度。本发明的传感器拥有可拉伸性，同时兼顾压力和拉伸应变的感应。再者本发明的传感器拥有优异的灵敏度，并且灵敏度可以通过不同的有机-无机复合介质层2实现调整，可应用于多种环境，拥有普适性。
实施例9。
一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器，使用SEBS作为可拉伸衬底材料。
SEBS薄膜使用热压的方法制备，使用喷涂的方法在制备好的SEBS薄膜上喷涂一层200nm厚的液态金属外面包覆固态金属的固液双相纳米粒子(镓外面包覆银)作可拉伸电极。使用同样的方法制备两片带有镓外面包覆银的双相纳米粒子电极的SEBS薄膜。
将钛酸钡纳米颗粒(粒径在30～50nm)均匀分散在四氢呋喃(THF)溶剂中，然后向分散液中加如30％PDMS的预聚物与固化剂的混合物，搅拌1h使PDMS完全溶解。将制备好的分散液倒在直立型石墨烯电极上，50℃下挥发溶剂30min，这时剩下的是一层几微米厚的未固化的带有均匀分散钛酸钡纳米颗粒的PDMS，然后将另外一层电极盖在上方，放入烘箱中70℃固化4h，最后得到可拉伸式压力及拉伸形变传感器。
本发明的有机-无机复合介质层2为无机材料21和有机材料22复合的介质层。无机材料21和有机材料22复合的介质层的介电常数高，同时有机-无机复合介质层2的介电常数能够随外界压力或者拉伸应力变化增大明显。通过该传感器可以直接获得对外界压力或者拉伸应力变化的感应，无需后端信号放大电路就能获得灵敏的信号，该传感器能够有效的提高灵敏度。本发明的传感器拥有可拉伸性，同时兼顾压力和拉伸应变的感应。再者本发明的传感器拥有优异的灵敏度，并且灵敏度可以通过不同的有机-无机复合介质层2实现调整，可应用于多种环境，拥有普适性。
实施例10。
一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器，使用直立型石墨烯作为可拉伸电极材料。
将单壁碳纳米管(SWCNT，直径为2nm)分散在NMP中。然后向分散液中加如PDMS的预聚物与固化剂的混合物，搅拌1h使PDMS完全溶解。将制备好的分散液倒在直立型石墨烯电极上，50℃下挥发溶剂30min，这时剩下的是一层几微米厚的未固化的带有SWCNT的PDMS，然后将另外一层电极盖在上方，放入烘箱中70℃固化4h得到可拉伸式压力及拉伸形变传感器。所制备的PDMS-SWCNT复合介质层的相对介电常数与钛酸钡的掺杂量的关系如图10所示，从图中可以看出只需要掺杂少量的SWCNT就能是介电常数大幅提高，但掺杂量超过1.5wt％后相对介电常数开始下降，主要原因是掺杂量过高时形成了导电通道。
本发明的有机-无机复合介质层2为无机材料21和有机材料22复合的介质层。无机材料21和有机材料22复合的介质层的介电常数高，同时有机-无机复合介质层2的介电常数能够随外界压力或者拉伸应力变化增大明显。通过该传感器可以直接获得对外界压力或者拉伸应力变化的感应，无需后端信号放大电路就能获得灵敏的信号，该传感器能够有效的提高灵敏度。本发明的传感器具有可拉伸性，同时兼具对压力和拉伸应变的感应。再者本发明的传感器拥有优异的灵敏度，并且灵敏度可以通过不同的有机-无机复合介质层2实现调整，可应用于多种环境，普适性好。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种可拉伸式压力及拉伸形变传感器,其特征在于：设置有两层可拉伸的导电电极和位于两层可拉伸导电电极之间的可拉伸的有机-无机复合介质层；
所述可拉伸导电电极包含竖直结构的二维导电材料、竖直结构的片状金属材料或者为包覆结构的固液双相导电材料中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的可拉伸式压力及拉伸形变传感器,其特征在于：所述竖直结构的二维导电材料，具体为竖直结构的石墨烯。
3.根据权利要求1所述的可拉伸式压力及拉伸形变传感器,其特征在于：所述包覆结构的固液双相导电材料，具体的液相为镓，固相为银；或者
所述包覆结构的固液双相导电材料的，具体的液相为镓，固相为片状金属。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的可拉伸式压力及拉伸形变传感器,其特征在于：所述有机-无机复合介质层为无机材料颗粒分散于有机介电材料中。
5.根据权利要求4所述的可拉伸式压力及拉伸形变传感器,其特征在于：所述有机-无机复合介质层在受到外力的拉伸或者挤压时，相对于未受到外力的拉伸或者挤压时发生厚度变化，且有机-无机复合介质层中的无机材料颗粒之间的分布更紧凑，同时受到外力拉伸或者挤压时的有机-无机复合介质层的介电常数大于未受到外力拉伸或者挤压时的有机-无机复合介质层的介电常数；
所述的无机材料为无机介电材料或碳纳米管；
所述有机介电材料为弹性体。
6.根据权利要求5所述的可拉伸式压力及拉伸形变传感器,其特征在于：能感应压力及拉伸形变力的大小，且能分辨传感器的形变方式；
当传感器感应到电容变化量值为负数时，判断传感器发生厚度增大的形变方式，当传感器感应到电容变化量值为正数时，判断传感器发生厚度减小的形变方式。
7.根据权利要求6所述的可拉伸式压力及拉伸形变传感器,其特征在于：呈立体传感器。
8.根据权利要求7所述的可拉伸式压力及拉伸形变传感器，其特征在于：所述可拉伸导电电极掺杂有碳纳米管、金属纳米粒子或者金属纳米线中至少一种。
9.根据权利要求8所述的可拉伸式压力及拉伸形变传感器，其特征在于：所述有机-无机复合介质层的厚度范围为500纳米至10微米；
所述导电电极的厚度范围为1微米至100微米。
10.根据权利要求8所述的可拉伸式压力及拉伸形变传感器，其特征在于：还设置有可拉伸衬底、修饰层或者界面层中至少一种；
所述可拉伸导电电极通过溶液法加工制备，所述有机-无机复合介质层通过热成型加工制备或者溶液法加工制备。
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