CN110261012B - 一种柔性角度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性角度传感器及其制备方法，所述传感器包括表面封装层、功能层和导电金属线，导电金属线通过缝纫的方式穿过功能层，表面封装层用于封装功能层，功能层包括多孔导电海绵层和柔性薄膜支撑层，多孔导电海绵的下表面与柔性薄膜支撑层相连，多孔导电海绵的外表面为凹凸排列结构。所述制备方法包含以下步骤：a、均匀导电分散液的制备；b、凹凸排列的多孔海绵的制备；c、凹凸排列的多孔导电海绵层的制备；d、功能层的制备；e、柔性角度传感器的制备。本发明的柔性角度传感器的制备工艺简单，制备成本低，制备周期短，易于规模化生产，在角度传感以及人际交互和手势识别领域具有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及传感器及其制法，具体为一种柔性角度传感器及其制备方法。
背景技术
柔性电子压力/形变传感器可分为压电式，压阻式和压容式。其中，柔性压阻式传感器的机理是通过压力产生的形变效应改变器件的导电通路，从而改变器件的电阻，导致器件的输出电流或电压发生改变，进而表征压力的大小。与传统的非柔性器件相比，柔性压力/形变传感器由于其超高的柔性和传感效应，引起了学术界和工业界极大的研究兴趣，同时，该类传感器可广泛用于健康监测，机器人及假肢，医疗监控和诊断，可穿戴电子设备和现代医学等领域，其有望在物联网和云计算促发下的智慧医疗领域发挥关键作用，并且革新下一代全新的可穿戴设备。
为实现更高的灵敏度，很多器件受生物体微结构启发，通过刻蚀等工艺在器件表面制备微结构，改善器件在压力下的表面接触区域，从而提高器件的压力感知性能。比如受皮肤多层微结构，荷叶等植物表面的超疏水结构以及生物体内部小肠绒毛等比表面积大的结构的启发，制备不同微结构的柔性角度传感器。但是这些传感器存在制备工艺复杂，价格昂贵或者灵敏度低等传感性能不高的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种灵敏度高的柔性角度传感器，本发明的另一目的是提供一种工艺简单、成本低廉的柔性角度传感器的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种柔性角度传感器，包括表面封装层、功能层和导电金属线，导电金属线通过缝纫的方式穿过功能层，表面封装层用于封装功能层，功能层包括多孔导电海绵层和柔性薄膜支撑层，多孔导电海绵的下表面与柔性薄膜支撑层相连，柔性薄膜支撑层起到承受压力和转移形变的作用，多孔导电海绵的外表面为凹凸排列结构，起到放大形变和角度传感的作用。
表面封装层为聚二甲基硅氧烷薄层、聚乙烯醇薄层、硅橡胶、橡胶或聚酰亚胺中的一种或多种。优选地，表面封装层为聚乙烯醇薄层。
导电金属线为导电金属箔、导电胶或导电膏中的一种或多种。
多孔导电海绵层由聚氨酯、聚乙烯醇和海藻棉中任意一种材料制成，柔性薄膜支撑层由聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇和聚醚酰亚胺中的任意一种制成。柔性薄膜支撑层也可以选择其他的有机柔性高分子聚合物。优选地，柔性薄膜支撑层由柔性聚乙烯醇薄材料制成，多孔导电海绵层由聚氨酯材料制成。
上述柔性角度传感器的制备方法，包含以下步骤：
a、均匀导电分散液的制备：将0.05～0.5g多壁碳纳米管、石墨烯、单壁碳纳米管或二乙基甲酰胺和0.1～1g十二烷基苯磺酸钠表面活性剂配成50～100ml水分散液，在30～60℃、300～600r/min搅拌1～2小时，制得均匀的多壁碳纳米管水分散液；
b、凹凸排列的多孔海绵的制备：利用画图工具绘制有凹凸结构的掩模模板，利用该掩模模板在多孔海绵上雕刻凹凸排列的表面微结构，雕刻的功率为30～60W，速度为10～55mm/s，精度为500ppi；
c、凹凸排列的多孔导电海绵层的制备：将步骤b所得凹凸结构的多孔海绵浸没到步骤a配好的导电分散液中，挤压后在恒温干燥炉上烘干1小时，设定温度为100～150℃，之后将干燥的多孔海绵重复c步骤3～12次，制备成分散均匀、导电性良好的凹凸排列的多孔导电海绵层；
d、功能层的制备：将聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇或聚醚酰亚胺粘性胶状体通过刮胶方式涂抹在PDMS基板上，然后将步骤c所得凹凸结构的多孔海绵贴在聚乙烯醇上，放在通风处自然风干2～3小时，之后将其从基板上剥离，制得功能层；
e、柔性角度传感器的制备：通过缝纫的方式将导电金属线穿过功能层，再向功能层表面涂抹表面封装材料，起到保护内部电路、隔绝水气和电绝缘的作用，干燥，即制得柔性角度传感器。
其中，步骤b中凹凸结构为长方形或锯齿形，也可以选择在受压缩时能增大两凸起结构接触面积的其他形状，凹凸结构的长宽比为1∶4、1∶2或1∶6。
工作原理：在小角度弯曲时，下层柔性薄膜支撑层会将形变传递给上层多孔导电海绵层，柔性角度传感器通过多孔导电海绵层表面的相邻凹凸排列结构的接触增加了器件内部的导电通路，从而降低器件的电阻，实现输出电流的增加，从而实现角度传感。并且随着角度的增加，接触的凸起结构个数增多，从而实现电流变化的持续增加，因而能够实现全角度感知。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：功能层的下层柔性薄膜支撑层起到支撑压力和传递形变的作用，上层多孔导电海绵层由于其独特的表面凹凸排列结构，能通过表面接触来放大微小角度形变引起的电阻变化，具有较高的角度感知灵敏度，且多组凹凸结构排列使得其几乎在全角度范围内(0～180°)具有感知效应，在优化结构参数设计后，能够实现对角度的线性感知能力；柔性角度传感器的制备工艺简单，制备成本低，制备周期短，易于规模化生产；柔性角度传感器在角度传感以及人际交互和手势识别领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的电阻-角度响应曲线。
图3为本发明的角度感知能力以及拟合曲线。
图4为本发明的扫描电镜图。
图5为本发明的电阻-手指弯曲角度响应曲线图。
具体实施方式
如图1，导电金属线3通过缝纫的方式穿过功能层2，功能层2包括上层的多孔导电海绵层21和下层的柔性薄膜支撑层22，功能层2的外表面有表面封装层1。
实施例1
一种柔性角度传感器的制备方法，包含以下步骤：
a、导电分散液的制备：将0.05g多壁碳纳米管和0.1g十二烷基苯磺酸钠表面活性剂配成50ml水分散液，在30℃、300r/min搅拌1小时；
b、凹凸排列的多孔海绵的制备：利用画图工具绘制有长方形凹凸结构的掩模模板，利用该掩模模板在聚氨酯多孔海绵上雕刻凹凸排列的表面微结构，雕刻的功率为30W，速度为10mm/s，精度为500ppi，凹凸结构的长宽比为1∶4；
c、凹凸排列的多孔导电海绵层的制备：将步骤b所得凹凸结构的聚氨酯多孔海绵浸没到步骤a配好的多壁碳纳米管分散液中，挤压后在恒温干燥炉上烘干1小时，设定温度为100℃，之后将干燥的聚氨酯多孔海绵重复c步骤3次；
d、功能层的制备：将聚二甲基硅氧烷粘性胶状体通过刮胶方式涂抹在PDMS基板上，然后将步骤c所得凹凸结构的多孔聚氨酯海绵贴在聚乙烯醇上，放在通风处自然风干2小时，之后将其从基板上剥离，制得功能层；
e、柔性角度传感器的制备：通过缝纫的方式将导电金属箔穿过功能层，再向功能层表面涂抹表面封装材料，干燥，即制得柔性角度传感器。
实施例2
一种柔性角度传感器的制备方法，包含以下步骤：
a、导电分散液的制备：将0.5g石墨烯和1g十二烷基苯磺酸钠表面活性剂配成100ml水分散液，在60℃、600r/min搅拌2小时；
b、凹凸排列的多孔海绵的制备：利用画图工具绘制有锯齿形凹凸结构的掩模模板，利用该掩模模板在多孔聚乙烯醇海绵上雕刻凹凸排列的表面微结构，雕刻的功率为60W，速度为55mm/s，精度为500ppi，凹凸结构的长宽比为1∶2；
c、凹凸排列的多孔导电海绵层的制备：将步骤b所得凹凸结构的多孔海绵浸没到步骤a配好的石墨烯分散液中，挤压后在恒温干燥炉上烘干1小时，设定温度为150℃，之后将干燥的多孔聚乙烯醇海绵重复c步骤12次；
d、功能层的制备：将聚乙烯醇粘性胶状体通过刮胶方式涂抹在PDMS基板上，然后将步骤c所得凹凸结构的聚乙烯醇海绵贴在聚乙烯醇上，放在通风处自然风干3小时，之后将其从基板上剥离，制得功能层；
e、柔性角度传感器的制备：通过缝纫的方式将导电胶线穿过功能层，再向功能层表面涂抹表面封装材料，干燥，即制得柔性角度传感器。
实施例3
一种柔性角度传感器的制备方法，包含以下步骤：
a、导电分散液的制备：将0.28g单壁碳纳米管和0.5g十二烷基苯磺酸钠表面活性剂配成75ml水分散液，在45℃、450r/min搅拌1.5小时；
b、凹凸排列的多孔海绵的制备：利用画图工具绘制有长方形凹凸结构的掩模模板，利用该掩模模板在多孔海藻棉海绵上雕刻凹凸排列的表面微结构，雕刻的功率为45W，速度为30mm/s，精度为500ppi，凹凸结构的长宽比为1∶6；
c、凹凸排列的多孔导电海绵层的制备：将步骤b所得凹凸结构的多孔海藻棉海绵浸没到步骤a配好的单壁碳纳米管分散液中，挤压后在恒温干燥炉上烘干1小时，设定温度为125℃，之后将干燥的多孔海藻棉海绵重复c步骤7次；
d、功能层的制备：将聚醚酰亚胺粘性胶状体通过刮胶方式涂抹在PDMS基板上，然后将步骤c所得凹凸结构的多孔海藻棉海绵贴在聚乙烯醇上，放在通风处自然风干2.5小时，之后将其从基板上剥离，制得功能层；
e、柔性角度传感器的制备：通过缝纫的方式将导电膏穿过功能层，再向功能层表面涂抹表面封装材料，干燥，即制得柔性角度传感器。
实施例4
一种柔性角度传感器的制备方法，包含以下步骤：
a、导电分散液的制备：将0.15g二乙基甲酰胺和0.2g十二烷基苯磺酸钠表面活性剂配成60ml水分散液，在40℃、400r/min搅拌1.2小时；
b、凹凸排列的多孔海绵的制备：利用画图工具绘制有锯齿形凹凸结构的掩模模板，利用该掩模模板在多孔聚氨酯海绵上雕刻凹凸排列的表面微结构，雕刻的功率为40W，速度为20mm/s，精度为500ppi，凹凸结构的长宽比为1∶4；
c、凹凸排列的多孔导电海绵层的制备：将步骤b所得凹凸结构的多孔聚氨酯海绵浸没到步骤a配好的二乙基甲酰胺分散液中，挤压后在恒温干燥炉上烘干1小时，设定温度为110℃，之后将干燥的多孔聚氨酯海绵重复c步骤5次；
d、功能层的制备：将聚二甲基硅氧烷粘性胶状体通过刮胶方式涂抹在PDMS基板上，然后将步骤c所得凹凸结构的多孔聚氨酯海绵贴在聚乙烯醇上，放在通风处自然风干2.2小时，之后将其从基板上剥离，制得功能层；
e、柔性角度传感器的制备：通过缝纫的方式将导电金属箔穿过功能层，再向功能层表面涂抹表面封装材料，干燥，即制得柔性角度传感器。
实施例5
一种柔性角度传感器的制备方法，包含以下步骤：
a、导电分散液的制备：将0.4g多壁碳纳米管和0.8g十二烷基苯磺酸钠表面活性剂配成90ml水分散液，在55℃、520r/min搅拌1.8小时；
b、凹凸排列的多孔海绵的制备：利用画图工具绘制有长方形凹凸结构的掩模模板，利用该掩模模板在多孔聚氨酯海绵上雕刻凹凸排列的表面微结构，雕刻的功率为50W，速度为40mm/s，精度为500ppi，凹凸结构的长宽比为1∶6；
c、凹凸排列的多孔导电海绵层的制备：将步骤b所得凹凸结构的多孔聚氨酯海绵浸没到步骤a配好的多壁碳纳米管分散液中，挤压后在恒温干燥炉上烘干1小时，设定温度为140℃，之后将干燥的多孔聚氨酯海绵重复c步骤10次；
d、功能层的制备：将聚醚酰亚胺粘性胶状体通过刮胶方式涂抹在PDMS基板上，然后将步骤c所得凹凸结构的多孔聚氨酯海绵贴在聚乙烯醇上，放在通风处自然风干2.8小时，之后将其从基板上剥离，制得功能层；
e、柔性角度传感器的制备：通过缝纫的方式将导电膏穿过功能层，再向功能层表面涂抹表面封装材料，干燥，即制得柔性角度传感器。
实施例6
一种柔性角度传感器的制备方法，包含以下步骤：
a、导电分散液的制备：将0.15g多壁碳纳米管和0.5g十二烷基苯磺酸钠表面活性剂配成50ml水分散液，在50℃、400r/min搅拌1小时；
b、凹凸排列的多孔海绵的制备：利用画图工具绘制有长方形凹凸结构的掩模模板，利用该掩模模板在多孔聚氨酯海绵上雕刻凹凸排列的表面微结构，雕刻的功率为40W，速度为55mm/s，精度为500ppi，凹凸结构的长宽比为1∶2；
c、凹凸排列的多孔导电海绵层的制备：将步骤b所得凹凸结构的多孔聚氨酯海绵浸没到步骤a配好的多壁碳纳米管分散液中，挤压后在恒温干燥炉上烘干1小时，设定温度为135℃，之后将干燥的多孔聚氨酯海绵重复c步骤9次；
d、功能层的制备：将聚乙烯醇粘性胶状体通过刮胶方式涂抹在PDMS基板上，然后将步骤c所得凹凸结构的多孔聚氨酯海绵贴在聚乙烯醇上，放在通风处自然风干2小时，之后将其从基板上剥离，制得功能层；
e、柔性角度传感器的制备：通过缝纫的方式将导电金属箔穿过功能层，再向功能层表面涂抹表面封装材料，干燥，即制得柔性角度传感器。
实施例7
一种柔性角度传感器的制备方法，包含以下步骤：
a、导电分散液的制备：将0.15g多壁碳纳米管和0.5g十二烷基苯磺酸钠表面活性剂配成50ml水分散液，在50℃、400r/min搅拌1小时；
b、凹凸排列的多孔海绵的制备：利用画图工具绘制有长方形凹凸结构的掩模模板，利用该掩模模板在多孔聚氨酯海绵上雕刻凹凸排列的表面微结构，雕刻的功率为40W，速度为55mm/s，精度为500ppi，凹凸结构的长宽比为1∶4；
c、凹凸排列的多孔导电海绵层的制备：将步骤b所得凹凸结构的多孔聚氨酯海绵浸没到步骤a配好的多壁碳纳米管分散液中，挤压后在恒温干燥炉上烘干1小时，设定温度为135℃，之后将干燥的多孔聚氨酯海绵重复c步骤9次；
d、功能层的制备：将聚乙烯醇粘性胶状体通过刮胶方式涂抹在PDMS基板上，然后将步骤c所得凹凸结构的多孔聚氨酯海绵贴在聚乙烯醇上，放在通风处自然风干2小时，之后将其从基板上剥离，制得功能层；
e、柔性角度传感器的制备：通过缝纫的方式将导电金属箔穿过功能层，再向功能层表面涂抹表面封装材料，干燥，即制得柔性角度传感器。
实施例8
一种柔性角度传感器的制备方法，包含以下步骤：
a、导电分散液的制备：将0.15g多壁碳纳米管和0.5g十二烷基苯磺酸钠表面活性剂配成50ml水分散液，在50℃、400r/min搅拌1小时；
b、凹凸排列的多孔海绵的制备：利用画图工具绘制有长方形凹凸结构的掩模模板，利用该掩模模板在多孔海绵上雕刻凹凸排列的表面微结构，雕刻的功率为40W，速度为55mm/s，精度为500ppi，凹凸结构的长宽比为1∶6；
c、凹凸排列的多孔导电海绵层的制备：将步骤b所得凹凸结构的多孔聚氨酯海绵浸没到步骤a配好的多壁碳纳米管分散液中，挤压后在恒温干燥炉上烘干1小时，设定温度为135℃，之后将干燥的多孔海绵重复c步骤9次；
d、功能层的制备：将聚乙烯醇粘性胶状体通过刮胶方式涂抹在PDMS基板上，然后将步骤c所得凹凸结构的多孔聚氨酯海绵贴在聚乙烯醇上，放在通风处自然风干2小时，之后将其从基板上剥离，制得功能层；
e、柔性角度传感器的制备：通过缝纫的方式将导电金属箔穿过功能层，再向功能层表面涂抹表面封装材料，干燥，即制得柔性角度传感器。
对比例
一种传感器的制备方法，包含以下步骤：
a、导电分散液的制备：将0.15g多壁碳纳米管和0.5g十二烷基苯磺酸钠表面活性剂配成50ml水分散液，在50℃、400r/min搅拌1小时；
b、多孔导电海绵层的制备：将多孔聚氨酯海绵浸没到步骤a配好的多壁碳纳米管分散液中，挤压后在恒温干燥炉上烘干1小时，设定温度为135℃，之后将干燥的多孔海绵重复c步骤9次；
c、功能层的制备：将聚乙烯醇粘性胶状体通过刮胶方式涂抹在PDMS基板上，然后将步骤b所得多孔聚氨酯海绵贴在聚乙烯醇上，放在通风处自然风干2小时，之后将其从基板上剥离，制得功能层；
d、柔性角度传感器的制备：通过缝纫的方式将导电金属箔穿过功能层，再向功能层表面涂抹表面封装材料，干燥，即制得用于比较的传感器。
对实施例6～8所制得的柔性角度传感器以及对比例所制得的传感器进行如下检测，具体分析如下：
电阻-角度响应情况如图2所示，从图中可以看出，实施例6～8所制得的柔性角度传感器具有较高的电阻-角度响应灵敏度，可以看出(x∶y)越小，对小角度的传感效果越好，但是对大角度传感效果变差；相似的，随着(x∶y)变大，对大角度的传感效果变好，但是对小角度的传感效果变差。通过设计特定的传感结构参数，该柔性角度传感器可以实现角度的线性感知。图3为实施例6所制得的柔性角度传感器的角度感知曲线，从图中可以看出该器件对角度具有线性感知的能力。图4为实施例6所制得的柔性角度传感器的SEM图，从图中可以看出多壁碳纳米管均匀紧密的涂覆在PU海绵龙骨结构上。
实施例9
将实施例6所制得的柔性角度传感器固定在手指上，测得柔性压阻传感器的电阻-角度响应曲线如图5所示，从图中可以看出，该柔性角度传感器能够对手指弯曲角度产生较好的响应，在手势识别等人机交互领域有应用前景。
Claims (9)
1.一种柔性角度传感器，其特征在于：包括表面封装层（1）、功能层（2）和导电金属线（3），所述导电金属线（3）穿过功能层（2），所述表面封装层（1）用于封装功能层（2），所述功能层（2）包括多孔导电海绵层（21）和柔性薄膜支撑层（22），所述多孔导电海绵（21）的下表面与柔性薄膜支撑层（22）相连，所述多孔导电海绵（21）的外表面为凹凸排列结构；
所述柔性角度传感器的制备方法，包含以下步骤：
（a）将0.05~0.5g多壁碳纳米管、石墨烯、单壁碳纳米管或二乙基甲酰胺和0.1~1g十二烷基苯磺酸钠表面活性剂配成50~100ml水分散液，在30~60℃、300~600r/min搅拌1~2小时，制得均匀的导电分散液；
（b）绘制有凹凸结构的掩模模板，利用该掩模模板在多孔导电海绵上雕刻凹凸排列的表面微结构；
（c）将步骤（b）所得凹凸结构的多孔海绵浸没到步骤（a）配好的导电分散液中，挤压后烘干；
（d）将聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇或聚醚酰亚胺粘性胶状体涂抹在基板上，然后将步骤（b）所得凹凸结构的多孔海绵贴在聚乙烯醇上，风干后将其从基板上剥离，制得功能层（2）；
（e）将导电金属线（3）穿过功能层（2），再向功能层（2）表面涂抹表面封装材料，干燥，即制得柔性角度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种柔性角度传感器，其特征在于：所述表面封装层（1）为聚二甲基硅氧烷薄层、聚乙烯醇薄层、硅橡胶、橡胶或聚酰亚胺中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种柔性角度传感器，其特征在于：所述导电金属线（3）为导电金属箔、导电胶或导电膏中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种柔性角度传感器，其特征在于：所述多孔导电海绵层（21）由聚氨酯、聚乙烯醇和海藻棉中任意一种材料制成，所述柔性薄膜支撑层（22）由聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇和聚醚酰亚胺中的任意一种制成。
5.根据权利要求1所述的一种柔性角度传感器，其特征在于：所述步骤（b）中凹凸结构为长方形或锯齿形，所述凹凸结构的长宽比为1:4、1:2或1:6。
6.根据权利要求1所述的一种柔性角度传感器，其特征在于：所述步骤（b）中雕刻的功率为30~60W，速度为10~55mm/s，精度为500ppi。
7.根据权利要求1所述的一种柔性角度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤（c）重复3~12次。
8.根据权利要求1所述的一种柔性角度传感器，其特征在于：所述步骤（c）中烘干的温度为100~150℃。
9.根据权利要求1所述的一种柔性角度传感器，其特征在于：所述步骤（d）中基板为PDMS基板，所述风干为在通风处自然风干2~3小时。
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2019
- 2019-06-06 CN CN201910490371.5A patent/CN110261012B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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