CN110186487A - 一种变阻式柔性传感单元设计及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变阻式柔性传感单元设计及其制作方法，包括：柔性的敏感层、上下封装层、限制突变层、嵌入弹性绳和引出导线。其中，柔性敏感层夹于上下封装层中间，用液态导电合金充满微流腔道形式呈现。嵌入弹性绳是指将弹性线穿过微流腔道两边的限制突变层，使得弹性绳受到应变力时，微流腔道的横截面积变小，根据电阻定义公式可知腔道内的液态合金电阻变大。弹性绳的嵌入保证了该器件具有更高更稳定的的灵敏度，且不降低其他传感性能。本发明还公开了一种微流腔道的制作方法。将铸造工艺‑失蜡法引入并成功制备微流腔道，由于失蜡法操作简单，工艺条件易控，所以极大的简化了整体的制作工艺，提高了生产效率，降低了生产成本。

Description

一种变阻式柔性传感单元设计及其制作方法

技术领域：

本发明属于传感器领域，特别是涉及一种变阻式柔性传感单元的设计及其制作方法。

背景技术：

柔性传感技术是极具挑战和潜力的发展方向，在人工智能、医疗健康等领域有着广阔的发展前景。随着人机交互、运动健康监控等细分领域的快速发展，相关产品对传感产品提出了更高的要求，迫切需要具有柔韧、可弯曲、可拉伸等特性的柔弹性传感技术，以实现在覆盖三维静/动态表面的条件下，完成指定物理量的测量。

自2004年以来，各个国家的研究者们已研究出基于压阻式、电容式、压电式和有机场效应晶体管等类型的柔性传感单元，但却各有利弊。例如，复杂的设计结构及制作工艺、较低的灵敏度以及较高的加工成本，在一定程度上限制了柔弹性传感器件的应用范围。

当兼具流动性和导电性的室温液态金属(如铟镓合金)被应用到柔性传感器件中时，学者们发现了其巨大的应用潜力。基于液态金属的柔性传感器件表现出优异的传感性能。但由于液态金属较高的表面张力以及表面氧化层的存在使得很难利用传统印刷或打印的方式实现图案的定制化，且现有的图案化技术往往涉及到繁琐耗时的操作步骤，昂贵仪器设备的应用以及低成功率的成品，使得液态金属的广泛应用收到了一定阻碍。

因此，基于液态合金，研发一种传感性能优良，制作工艺简单高效且普适的柔性传感单元非常必要。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于液态金属的变阻式柔性传感单元的设计及其制作方法，其具有低成本、高灵敏度、高稳定性及制作工艺简单高效且普适等优点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种变阻式柔性传感单元，包括柔性的敏感层、上下封装层、嵌入弹性绳和引出导线。

优选地，在上述的变阻式柔性传感单元中，所述上下封装层的材质为0度头硅橡胶，颜色为透明色，厚度范围为0.5mm-0.6mm。

优选地，在上述的变阻式柔性传感单元中，所述上下封装层为高分子材料，所述的高分子材料可以是硅橡胶、硅氧烷和热塑性弹性体中的一种或两种以上组合。

优选地，在上述的变阻式柔性传感单元中，所述敏感层为常温下呈液态的金属导体层，所选液态合金可以是铟镓合金、铟镓锡合金或铋铟锡合金等，厚度0.5mm，宽度1mm。

优选地，在上述的变阻式柔性传感单元中，所述上下封装层中间还设置有对称的限制突变层，其中嵌入弹性绳是从该限制突变层中穿过。

优选地，在上述的变阻式柔性传感单元中，所述的限制突变层为硬度更高的弹性体，可以为15度硅橡胶，为了区别上下封装透明层，可以选择带颜色的硅橡胶，厚度不超过蜡模即可。

优选地，在上述的变阻式柔性传感单元中，所述敏感层所在的微流腔道是由两层封装层上下粘合，将与敏感层形状一致的蜡模提前放在粘合层形成。

优选的，在上述的变阻式柔性传感单元中，所述敏感层的材质为液态铟镓合金(eGaIn)，厚度范围为0.4mm-0.6mm。

优选地，在上述的变阻式柔性传感单元中，所述的嵌入弹性绳材料可以选自橡胶。

优选地，在上述的变阻式柔性传感单元中，所属的引出导线可以为铜、银和金中的任意导电金属的一种或二种以上的组合。

为了达到上述目的，本发明还提供给了一种变阻式传感单元的简易好操作的制作方法，步骤如下：

S1、制作硅橡胶薄膜

S2、制作设定形状的蜡模

S3、封蜡

S4、排蜡

S5、充入液态导电合金

S6、用导线封口

优选地，所述S1中的硅橡胶薄膜是通过如下方法制备的：

S11、将0度液体硅胶A和B按重量1：1混合搅拌均匀后，在真空中去气1-30分钟，并倒入指定深度的凹槽模板上，之后在60-90°的温度下加热0.5小时以上固化成型。

S12、固化成型后的硅胶薄膜从模板上取出，作为封装层。重复S11、S12制作另一封装层。

优选地，所述模板可以是具有微结构的硅衬底、金属衬底或3D打印结构。

优选地，所述步骤S4具体可以包括：

S41、将嵌入蜡模的器件加热到80℃以上，使固体状的蜡模融化；

S42、将针头为0.45mm*15mm，容量为1ml的注射器充满40-70℃左右的可溶解蜡模的有机溶液，从器件侧边注入，一直到接触蜡模的一头；

优选地，所述步骤S42中的有机溶液

S43、用另一个同样大小的空注射器从另一合适的侧边注入，接触熔融蜡模的另一头；

S44、用注射器向腔道内注射可溶解蜡模的有机溶剂，用另一注射器抽出溶解蜡模后的混合溶液，来回几次，直至抽不出混合溶液为止。

与现有技术相比，本发明的积极效果在于：改变阻式柔性传感单元采用液态导电合金作为敏感层和洛氏硬度为0度的硅橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚苯二甲酸乙二脂、聚乙烯醇等材质作为柔性的封装衬底，使得整个器件具有高柔性易弯曲等优点，且传感性能优良，比如其工作电压低、功耗小、灵敏度高、响应时间短。更为重要的是，本发明中引入精密铸造方法-失蜡法解决微流腔道的制作，无需任何复杂微加工过程。使得整体制作工艺简单高效且普适。

附图说明：

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1本发明的一较佳实施例的结构示意图；

图2利用3D打印模具制作硅橡胶薄膜示意图；

图3制作蜡模示意图；

图4封装蜡模和限制突变层示意图；

图5排空蜡模形成腔道示意图；

图6充入液态导电合金后示意图；

图7用导线封口后成品示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参图1所示，本实施例中的变阻式柔性传感单元暴扣柔性的封装层1，夹于两层封装层中间的液体敏感层2，以及分布在敏感层两边的限制突变层3，以及穿过限制突变层的弹性绳4和引出导线5。

敏感层2的材料优选为液态铟镓合金(eGaIn)，敏感层2的材料还可以是其他液态合金，如铟镓锡合金或铋铟锡合金等。

敏感层2是具有一设定图案的微流腔道，优选为非封闭的方形图案，宽度1mm，深度450um，长度34mm。

在其他实施例中，敏感层2的微流腔道也可以为矩形折线形等一些均匀而紧凑的结构。

封装层1优选为0度半透明硅橡胶薄膜，其厚度优选为500um。

半透明的作用在于帮助检测后续操作的成功与否，能做到及时止损。

限制突变层3的材料优选为15度带颜色的硅橡胶，方便嵌入弹性绳4穿入。

嵌入弹性绳4的材料带有一定弹性即可，弹性大小的选择可根据最终输出电阻变化是否明显及时调整。

引入导线5的材料可选自铜、银或者金等导线常规材料的一种或多种组合，选择原则是导线电阻要远远小于敏感层电阻。

上述的一种变阻性柔性传感单元，两层封装层和敏感层的整体厚度小于1.5mm，该种传感单元柔性大，重量轻，可以覆盖在任何非平面和3维表面上，同时具有可穿戴性。

上述的变阻性柔性传感单元的制作方法如下：

S1、制作硅橡胶薄膜

本实施例中利用3D打印机打印制作薄膜的模具，利用形状沉积法制作两封装层，不用图案化，其中材料选择0度透明硅橡胶，具体制备方法如下：

1、画出三维模具零件图

用三维制图软件根据想要制作薄膜的尺寸画出对应的三维模具零件图，并保存成.stl格式文件，再用3D打印机对应的切片软件将.stl文件保存成.gcode格式文件,并3D打印出即可使用。

2、液体硅胶A和B按重量1：1混合搅拌均匀后，将混合溶液放置真空机中10-30分钟真空除泡，直到没有泡产生可取出，然后将混合溶液浇注到模具当中，烤箱温度设置60℃-90℃半小时左右或者常温固化2-4小时，脱模取出硅橡胶薄膜，作为一封装层。另一封装层重复该步骤即可。

3、限制突变层重复1和2步骤，唯一区别是使用带颜色，洛氏硬度更高的硅橡胶制作，本实施例中优选为蓝色、洛氏硬度15的液态硅橡胶。

S2、制作设定形状的蜡模

1、制作0.5mm厚的薄片蜡模

将铸造蜡放在65℃-80℃的烤箱内融化，带上隔热手套将熔融铸造蜡常温下倒入可方便脱模的载体上，本实施例中优选为玻璃片，也可以选择具有微结构的硅衬底、金属衬底或3D打印结构(打印材料的熔点应远远高于80℃)，载体两边放置一直厚度的挡片，本实施例中选择0.5mm直径的绣花针，再用另一玻璃片压在两挡片上面，压实大概1分钟后，此时可形成0.5mm厚度的薄片蜡模

2、切割蜡模

利用快速线切割工艺将切割材料切割成厚度0.8mm的裁蜡工具，所述切割材料在本实施例中优选为高速刚，也可以选择其他硬度高的合金材料。然后将厚度0.5mm的的蜡模薄片切割成定制图案化的蜡模，在本实施例中即使微流腔道的形状。

S3、封蜡和限制突变层

蘸取少许除泡后，固化前的液体硅橡胶涂抹在蜡模和限制突变层上，作为粘合层，然后将另一同样大小的硅橡胶薄膜作为另一封装层放置在蜡模上。用一较重，熔点较高的物体作为压实工具放置在上层封装层上，一起放入烤箱加热，半小时后取出，或者常温固化2-4小时后取出，此时可看到具有微流腔道形状的蜡模和限制突变层夹在两层半透明的硅橡胶薄膜中间。

S4、排蜡

用一直径0.45mm，容量1ml的注射器充入热的可溶解铸造蜡模的有机溶剂，同时将步骤S3后的器件加热70℃-100℃，使得内嵌的蜡模融化成液体状态，再在其侧边找一合适位置将充满有机溶剂的注射器扎入，直到针头接触内嵌的蜡模的一终端，将另一排空空气的注射器针头接触蜡模的另一终端，推入有机溶剂，溶解蜡模，用空注射器抽出，反复推入和排出，直到排净，此时两层半透明的硅橡胶薄膜中间形成与蜡模一致的空腔道。

S5、充入液态导电合金

用一注射器向腔道内注入液态导电合金，用另一注射器排空气，直到拍空气的注射器排出少量液态导电合金为止，可以认为腔道已经充满液态到点合金；

S6、用导线封口

用导线封口，然后用弹性绳在限制突变层按图7式穿线。

需要说明的是，在本文中，属于“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他行的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方法，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种变阻式柔性传感单元的设计，其特征在于，包括：

封装层；敏感层；限制突变层；嵌入弹性绳；引出导线；所述封装层和敏感层采用柔性材料，具有柔韧、可弯曲、可拉伸、可恢复等柔性材料特性，传感性能稳定；其中，通过对所述两引出导线之间的阻值进行检测，根据检测结果确定所述嵌入弹性绳受到的拉力大小或弹性绳上某一固定点的位移。

2.根据权利要求1所述的变阻性柔性传感单元，其特征在于，所述柔性材料应用在封装层和敏感层。所述封装层源自于硅橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、和热塑性弹性体中的一种或两种以上的组合，优选地，所述敏感层为柔性固体材料或者液体、气体状态材料，优选为液体导电合金。

3.根据权力要求1所述的变阻式柔性传感单元，其特征在于：整个器件的尺寸厚度小于2mm，封装层的尺寸厚度小于1mm。在所述引出导线的电阻应远远小于敏感层的初始电阻。优选的，所述敏感层的液态合金导电金属所在的微流腔道的尺寸为宽1mm，深0.5mm，总长30-40mm。

4.根据权力要求1所述的变阻式柔性传感单元，其特征在于，引出导线的材料源自与银、铜或者金的一种或者两种以上组合，优选地，所述引出导线为银导线。

5.一种变阻式柔性传感单元的制作方法，其特征在于，包括：

制作微流腔道的蜡模嵌入两硅橡胶薄膜之间的步骤；

在所述两封装层中间放入切割好一定形状的蜡模，

排空蜡模形成空腔道的步骤；

注入液态导电合金的步骤。

6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述制作微流腔道的蜡模是指融化的铸造蜡固化成大概0.5mm的蜡薄片，用一定形状的切割工具切割蜡薄片成设定的微流腔道形状，嵌入两封装层中间。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述两封装层中间放入切割好一定形状的蜡模即敏感层的嵌入，需要在放置蜡模后，再蘸取少量混合搅拌且除泡后的液体硅橡胶，同时，另一封装层覆盖在上面后，用镊子将液体硅橡胶内的气泡取出，然后用镊子的另一较平面的一端压实，挤出多余的液体硅橡胶。硅胶加热固化时可以用一较重物体盖在最上面，以保证两层硅橡胶薄膜完全把蜡模包覆住。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，用注射器充入热的可溶解铸造蜡模的有机油，同时使得内嵌的蜡模融化成液体状态，通过将有机油注入到融化的蜡模内，溶解蜡模，同时用一空注射器抽出溶解铸造蜡的混合溶液，反复推入和排出，直到排净。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，用注射器向腔道内注入液态导电合金，用另一注射器排空气，可以保证腔道充满液态导电合金，形成敏感。