CN110243276A - 一种应用于指关节的可拉伸应力应变传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于柔性应力传感器领域，涉及一种应用于指关节等大形变的可拉伸应力/应变传感器及制备方法。该传感器件为三明治状三层结构，底部为Ecoflex硅橡胶制成的柔性基底，中间层为具有干磨砂纸图案化微结构的CNTS导电层，CNTS导电层的两端用铜箔引出作电极，顶部再铺一层硅橡胶作为保护层。Ecoflex硅橡胶具有和皮肤相近的弹性模量，为器件的可穿戴提供了可能，用导电性能优异的纳米材料CNTS作为微结构传感材料，两者结合制备得到可拉伸的应力/应变传感器。

Description

一种应用于指关节的可拉伸应力应变传感器及制备方法
技术领域
本发明属于柔性应力传感器领域，涉及一种应用于指关节等大形变的可拉伸应力/应变传感器及制备方法。
背景技术
应力/应变传感器是应用最广泛的传感器之一，其是指在外力作用下，电信号发生变化的一类传感器，通过电信号的输出来实现器件状态监测、系统控制、环境感知等功能。传统应力/应变传感器是以金属箔片等材料作为应变片粘贴到各种敏感元件上构成传感器。而近年来，随着人工智能机器人的发展以及在医疗卫生领域的康复设备和保健监测的需求，传统应力/应变传感器由于其刚性，灵活性低，适用性差等方面的不足，不适用于机器人电子皮肤和可穿戴设备。因此，越来越多的研究人员致力于柔性传感器在电子皮肤和可穿戴设备领域的研究，柔性传感器相比于传统传感器受刚性的阻碍信号传导质量差的缺点，采用柔性基底的柔性传感器可以更有效地捕获目标分析物并生成更高质量的信号。同时，柔性传感器有良好的柔韧性、延展性、可自由弯曲甚至折叠，传感器具有结构形式灵活多变、可穿戴的优点。
中国专利公开号为CN 107246929A公开了一种基于二维硒化铟的应力传感器的制备方法。该发明公开了一种通过机械剥离法制备二维硒化铟纳米片，利用模板法复制转移制备了硒化铟的应力传感器。该传感器的应变系数只有40，灵敏性较差。
中国专利公开号为CN 109115282A公开了一种仿生的柔性应力/应变传感器的制备方法。该发明通过采用动物皮肤为模板制备图案化薄膜为基底材料，以原子层沉积方法制备导电层作为传感材料，结合制备得传感器件。该传感器的应变范围只有30％，拉伸性较差。
中国专利公开号为CN 109238522A公开了一种配制导电油墨作传感材料的可穿戴柔性应力传感器的制备方法。该发明通过制备基于多种多元功能的复合材料胶体油墨，其材料包括金属纳米线、无机纳米片、高分子螯合剂、高价金属离子等材料，用定制的丝网印刷网版在柔性基底上印刷制备得传感器件。该方法的复合材料油墨制作方法复杂，步骤繁琐，耗材过高，不利于环保。
可以看出，目前研究的柔性传感器以电阻式为主，其原理是将传感器的物理形状变化转变为电学电阻值的变化。其常见的制备方法是在柔性基底表面嵌入或覆盖一层导电材料作为敏感层，得到多层结构的应变传感器。而由于基底材料的限制，大部分柔性传感器具有柔韧性，弯曲性，但拉伸性能不足，不能应用于关节等大形变处的应力/应变测量；同时由于导电层的平面结构，导致这些柔性传感器普遍存在灵敏度不高，难以检测微小形变的缺点。因此迫切需要一种拉伸性能优异，灵敏度高，同时制备工艺简单的新型应力/应变传感器。
发明内容
本发明的目的是针对当前柔性传感器的技术不足，提供一种可以应用于指关节等大形变处应力/应变测量的可拉伸传感器及制备方法。该传感器件为三明治状三层结构，底部为Ecoflex硅橡胶制成的柔性基底，中间层为具有干磨砂纸图案化微结构的CNTS导电层，CNTS导电层的两端用铜箔引出作电极，顶部再铺一层硅橡胶作为保护层。Ecoflex硅橡胶具有和皮肤相近的弹性模量，为器件的可穿戴提供了可能，用导电性能优异的纳米材料CNTS作为微结构传感材料，两者结合制备得到可拉伸的应力/应变传感器。
为达到上述目的，本发明的采用如下技术方案制备：
一种可拉伸应力/应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、模具的制备：利用机加工设备在有机玻璃上加工出一个表面开有长方体槽的模具，用于制作硅橡胶柔性基底，这样可以避免硅橡胶在凝固过程中的流动，造成基底的厚度不均，同时也避免了材料的浪费。
S2、微结构模板的制备：将具有干磨砂纸裁剪成条状，洗净干燥后粘在模具长方体槽的底部作为微结构的模板。对于柔性传感器，构造出应力敏感的微型结构导电层是影响传感器性能的重要因素之一。采用干磨砂纸作为微结构模板，能够避免光刻、刻蚀等方法制造微结构所需的复杂工艺流程。
S3、柔性基底的制备：将Ecoflex硅橡胶倾注入粘有干磨砂纸的模具中，抽真空加热固化后揭出，得到具有干磨砂纸微结构的硅橡胶柔性基底。Ecoflex硅橡胶作为一种超柔弹性体，具有和人体皮肤相近的杨氏模量，同时具有极佳的生物相容性，为可穿戴提供了基础。相比较于PDMS弹性体，Ecoflex硅橡胶有非常高的可靠性，不会出现由于吸水导致的PDMS等材料发生硬化和老化现象。
S4、导电层的制备：将CNTS(Carbon Nanotube碳纳米管)粉末涂抹在用无水乙醇湿润的柔性基底上有微结构的一面，得到由CNTS网络构成的具有微结构的导电层。CNTS作为一种一维纳米材料，具有极好的韧性和导电性，能够承受较高的应变。同时基于截断效应的应变影响机制，在由CNTS纳米材料导电网络构成的导电层中，电子可以通过渗透网络中的重叠纳米材料。而基底的拉伸使一些相连的纳米材料失去了重叠区域和电连接，从而增加了电阻。从微观结构上看，拉伸作用下重叠纳米材料的断裂是由于纳米材料与可拉伸聚合物界面结合较弱、刚度失配较大而导致的滑移。
S5、电极的引出和器件的封装：利用导电银胶将铜箔粘在导电层的两端，固化后引出引线作为测试导线。并在基底的导电层的一面再涂抹一层Ecoflex硅橡胶薄膜作为保护层，固化后制得可拉伸应力/应变传感器。
进一步的，在步骤S2中，干磨砂纸优选60目的粗砂纸。
进一步的，在步骤S3中，Ecoflex硅橡胶优选00-30型号，由A成分和B成分混合配制，混合质量比为1：1。
进一步的，在步骤S4中，CNTS为工业级多壁碳纳米管。
进一步的，所述的传感器是将物理形状的变化转变为电学电阻信号的变化，以此来实现应力/应变的监测。
本发明的有益效果是：
(1)利用Ecoflex硅橡胶作为基底材料，CNTS导电层作为敏感材料，结合了Ecoflex硅橡胶优异的材料性能和CNTS纳米材料极佳的导电性能。同时在干磨砂纸图案化微结构作用下，基于截断效应的应变影响机制，使得传感器具有良好的力学性能和电阻应变性能，具有大的拉伸范围，拉伸性能优异，最大可探测160％下的大应变，同时还保持着极好的线性度；具有较高的灵敏度，灵敏度参数达到200以上，拉伸重复性好。
(2)本发明制备工艺简单，制备条件容易实现，无需繁琐的工艺制备步骤，绿色环保，适于大规模制备。同时，由于微结构导电层为应力敏感区域，因此可以将传感器尺寸做得很小、很薄，可以实现小型化和集成化。
(3)本发明可实际应用于指关节、膝关节、肘部等具有大形变处的应力/应变测量，在医疗康复和保健监测领域具有极大的应用前景。
附图说明
图1为本发明的可拉伸应力/应变传感器结构示意图。
1.保护层；2.柔性基底；3.微结构的CNTS导电层4.铜箔电极。
图2为所制备的微结构导电层电子显微镜图。
图3为所制备的可拉伸应力/应变传感器拉伸力学性能图。
图4为所制备的可拉伸应力/应变传感器的拉伸率与电阻变化率的示意图。
图5为所制备的可拉伸应力/应变传感器应用于探测指关节动作的示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方法对本发明作进一步的详细描述。
(1)利用小型机床在一块有机玻璃上铣出一个40×25×2mm3尺寸的槽面作为模具，用无水乙醇和去离子水洗净；
(2)在60目的粗干磨砂纸上裁剪下25×10mm2尺寸的一块砂纸条，依次用无水乙醇和去离子水洗净，吹干后用双面胶粘在模具的底面中央位置，砂纸的磨砂一面朝上；
(3)将00-30型号Ecoflex硅橡胶A成分和B成分按8g的总质量以1：1的质量比混合均匀，搅拌5min后置于真空环境下脱气泡处理15min，注入准备的模具中，然后放入烘箱中70℃下固化60min后，取出揭下处理，得到复制了干磨砂纸微结构的硅橡胶基底(如图2所示)。
(4)将制得基底上的复制了微结构的区域用滴管滴微量无水乙醇湿润，用微量天平称取0.06g的CNTS(Carbon Nanotube碳纳米管)粉末涂抹于湿润区域，用湿无尘纸将非微结构区域的多余CNTS擦去，以保证美观性；
(5)将两块0.5×0.5mm2尺寸铜箔用导电银胶固定在微结构CNTS导电层的两端，同时引出导线，中间留出的距离作为传感响应区；按照步骤(3)方法称取1gEcoflex硅橡胶，在导电层区域涂抹一层硅橡胶薄膜作为保护层，放入烘箱中70℃下固化60min后即得可拉伸应力/应变传感器样品。
以下对实施案例制备的可拉伸应力/应变传感器进行简单性能测试：
(1)用拉伸测试仪对所制备的传感器进行拉伸应力测试，如图3所示，该传感器具有良好的力学性能，拉力与应变线性关系明显，拉伸性能优异，具有较高的拉伸范围，可以达到160％的拉伸应变。
(2)用LCR数字电桥对所制备的传感器进行灵敏度性能测试，如图4所示，得到应变和电阻变化率的关系曲线，该传感器具有良好的电阻应变性能，应变与电阻变化率线性关系明显，灵敏度影响因子达到200以上，是传统金属箔应变片一百倍以上。
(3)将所制备的传感器包裹于指关节处，两端固定，如图5所示，基于手指弯曲动作，测试五个姿态下的电阻变化率，方框表示手指弯曲到回复的一个周期动作下电阻变化率，可以看出，该传感器可以明显监测手指动作，重复性能好，可应用于大形变处应力/应变测量。
综上，本发明的可拉伸应力/应变传感器具有良好的力学拉伸性能和电阻应变性能，最大可探测160％下的大应变，同时还保持着极好的线性度；具有较高的灵敏度，拉伸重复性好；制备简单，绿色环保，成本低廉的优点。可广泛应用于指关节等具有大形变处的应力/应变测量。

Claims (5)

1.一种应用于指关节的可拉伸应力应变传感器，所述的传感器是将物理形状的变化转变为电学电阻信号的变化，以此来实现应力/应变的监测，其特征在于，所述可拉伸应力应变传感器为三明治状三层结构，底部为Ecoflex硅橡胶制成的柔性基底，中间层为具有干磨砂纸图案化微结构的CNTS导电层，CNTS导电层的两端用铜箔引出作电极，顶部再铺一层硅橡胶作为保护层。
2.如权利要求1所述的一种应用于指关节的可拉伸应力应变传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、模具的制备：利用机加工设备在有机玻璃上加工出一个表面开有长方体槽的模具，用于制作硅橡胶柔性基底；
S2、微结构模板的制备：将具有干磨砂纸裁剪成条状，洗净干燥后粘在模具长方体槽的底部作为微结构的模板；
S3、柔性基底的制备：将Ecoflex硅橡胶倾注入粘有干磨砂纸的模具中，抽真空加热固化后揭出，得到具有干磨砂纸微结构的硅橡胶柔性基底；
S4、导电层的制备：将碳纳米管CNTS粉末涂抹在用无水乙醇湿润的柔性基底上有微结构的一面，得到由CNTS网络构成的具有微结构的导电层；
S5、电极的引出和器件的封装：利用导电银胶将铜箔粘在导电层的两端，固化后引出引线作为测试导线；并在基底的导电层的一面再涂抹一层Ecoflex硅橡胶薄膜作为保护层，固化后制得可拉伸应力/应变传感器。
3.如权利要求2所述的一种应用于指关节的可拉伸应力应变传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，干磨砂纸为60目的粗砂纸。
4.如权利要求2所述的一种应用于指关节的可拉伸应力应变传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，Ecoflex硅橡胶为00-30型号，由A成分和B成分混合配制，混合质量比为1：1。
5.如权利要求2所述的一种应用于指关节的可拉伸应力应变传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，CNTS为工业级多壁碳纳米管。
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