CN110375635A - 一种用于优化三维柔性应变传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于优化三维柔性应变传感器及制备方法，本发明在一个长方体的石墨烯泡沫的一个顶面，在顶面的中心开有一个直径2毫米的通孔；石墨烯泡沫上设有两个外接电极，并通过外接导线引出，石墨烯泡沫内由聚合物填充。本发明在三维敏感材料中构筑一个毫米尺度的孔洞，使得该敏感材料具有更多脆弱点，在微弱应变下更容易发生结构的损坏，引起电信号的明显变化。工艺简单，且在较低成本下即可实现三维柔性应变传感器的灵敏度优化。

Description

一种用于优化三维柔性应变传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种传感器，具体涉及用于优化三维柔性应变传感器及制备方法。
背景技术
近年来，由于在电子皮肤等领域的广泛应用，高灵敏度、宽线性区的柔性应变传感器的构建成为一项紧迫的任务。为了更生动地模拟自然皮肤，应变传感装置或更确切地说，敏感材料应为三维结构，以便有效地追踪和检测各个方向的应变变化。关于三维应变敏感结构的制备工艺已比较成熟，但是这些敏感结构被弹性聚合物封装之后得到的器件总是表现出不令人满意的灵敏度，特别是对于微小的应变信号，检测结果往往被淹没在背景信号中。
截至目前，通过宏观和微观两个尺度的结构设计，可以提高三维柔性应变传感器的灵敏度。例如在敏感材料中制造更多、更小尺度的微结构，使敏感材料表面更加锐化，从而对应变信号更加敏感；或者引入、开发新的聚合物封装材料，降低其对形变的缓冲作用，从而优化包裹在其中的敏感材料对微弱应变的响应。然而，不论是微观结构的优化，还是新材料的研发往往需要复杂的制备工艺和昂贵的生产成本。在降低成本方面，宏观尺度上的优化显然更有商业化的前景。比如引入聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)可以通过调整零应力线将三维柔性应变传感器的灵敏度提高6倍，但PET的延展性很差，会大大降低器件的拉伸性能和工作范围。因此，迫切需要一种基于简单工艺、低成本的有效宏观策略，在不牺牲其它性能的前提下，提高三维柔性应变传感器的灵敏度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种用于优化三维柔性应变传感器及制备方法；提供一种宏观结构的设计策略，它可以在较低的成本下，有效优化三维柔性应变传感器的灵敏度，并且工艺简单，有望实现商业化。
一种用于优化三维柔性应变传感器，在一个长方体石墨烯泡沫的一个顶面，在顶面的中心开有一个直径2毫米的通孔；石墨烯泡沫上设有两个外接电极，并通过外接导线引出，石墨烯泡沫内由聚合物填充。
作为优选，所述的石墨烯泡沫为中空结构，骨架为壁厚约1-2层原子层厚度的石墨烯，骨架中分布大小不一的不规则微型孔洞，孔洞尺寸在500微米以内。
作为优选，所开通孔形状包括等边三角形、正方形或圆形。
作为优选，所述外接电极为银胶电极，分别位于石墨烯泡沫的两端。
作为优选，所述聚合物为环氧树脂，由前驱体1:1体积比混合后填充，并常温常压固化。
作为优选，所述石墨烯泡沫是常压化学气相法(CVD法)工艺制备的石墨烯泡沫。
作为优选，所述外接电极的金属材料为铜、银或金。
本发明中的石墨烯泡沫替换为三维结构的碳纳米管、或金属骨架结构。
一种用于优化三维柔性应变传感器的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：在镍泡沫上开一个直径2毫米的通孔；
步骤二：开有通孔的镍泡沫通过常压CVD法在镍骨架上生长石墨烯骨架结构，石墨烯层壁厚为1-2个原子层；
步骤三：石墨烯泡沫通过稀盐酸刻蚀去除镍骨架；
步骤四：石墨烯泡沫两侧有两个外接电极，两个外接电极通过导线引出；
步骤五：填充聚合物；得到三维柔性应变传感器。
作为优选，所述的聚合物为环氧树脂，采用A、B两种组分1:1体积比混合后，倒入待填充的石墨烯泡沫中，在常温常压下固化，固化时间不少于4小时。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种宏观且低成本的优化策略，在三维敏感材料中构筑一个毫米尺度的孔洞，使得该敏感材料具有更多脆弱点，在微弱应变下更容易发生结构的损坏，引起电信号的明显变化。工艺简单，且在较低成本下即可实现三维柔性应变传感器的灵敏度优化。
附图说明
图1为本发明三维柔性应变传感器宏观优化的结构示意图；
图2为本发明一个实施例的宏观孔洞SEM图；
图3为本发明实施例的优化效果图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明提供一种三维柔性应变传感器灵敏度的宏观优化策略,包含：敏感材料1，所述敏感材料为导电的石墨烯三维骨架，采用CVD法在镍骨架上生长，厚度为1-2个碳原子层；填充聚合物2，聚合物为环氧树脂，采用A、B两种组分1:1体积比混合后，倒入敏感材料，在常温常压下固化，固化时间不少于4小时；宏观孔洞3，孔洞为圆形，采用2毫米直径的机械钻头直接在镍骨架上机械加工，镍骨架经过CVD生长后，被稀盐酸刻蚀去除，在石墨烯三维骨架中间留下直径不小于1.5毫米的宏观圆孔；金属电极4，为银胶电极；外接导线5，为铜导线，被银胶电极固定于敏感材料1的两端。
参见图2，所述三维柔性应变传感器的基础工作原理为敏感材料在不同应变下的微接触原理，引起其导电能力的规律性变换，从而实现应变信号与电阻信号的一一对应。引入宏观孔洞优化后，在这个孔洞周围形成大量结构脆弱点，这些脆弱点在微弱应变下就容易发生应力集中而产生结构损坏，从而比无宏观空洞结构的器件更容易出现明显的电阻信号变化。
参见图3，在0-20％拉伸应变范围内，有宏观空洞的器件的灵敏度是没有宏观空洞的器件的10倍。
所述填充聚合物还可以是其他高分子弹性体，比如PDMS。

Claims (10)

1.一种用于优化三维柔性应变传感器，其特征在于：在一个长方体石墨烯泡沫的一个顶面，在顶面的中心开有一个直径2毫米的通孔；石墨烯泡沫上设有两个外接电极，并通过外接导线引出，石墨烯泡沫内由聚合物填充。
2.根据权利要求1所述的一种用于优化三维柔性应变传感器，其特征在于：所述的石墨烯泡沫为中空结构，骨架为壁厚约1-2层碳原子层厚度的石墨烯，骨架中分布大小不一的不规则微型孔洞，孔洞尺寸在500微米以内。
3.根据权利要求1所述的一种用于优化三维柔性应变传感器，其特征在于：所开通孔形状包括等边三角形、正方形或圆形。
4.根据权利要求1所述的一种用于优化三维柔性应变传感器，其特征在于：所述外接电极为银胶电极，分别位于石墨烯泡沫的两端。
5.根据权利要求1所述的一种用于优化三维柔性应变传感器，其特征在于：所述聚合物为环氧树脂，由前驱体1:1体积比混合后填充，并常温常压固化。
6.根据权利要求1所述的一种用于优化三维柔性应变传感器，其特征在于：所述石墨烯泡沫是常压化学气相法工艺制备的石墨烯泡沫。
7.根据权利要求1所述的一种用于优化三维柔性应变传感器，其特征在于：所述外接电极的金属材料为铜、银或金。
8.根据权利要求1所述的一种用于优化三维柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：
步骤一：在镍泡沫上开一个直径2毫米的通孔；
步骤二：开有通孔的镍泡沫通过常压CVD法在镍骨架上生长石墨烯骨架结构，石墨烯层壁厚为1-2个碳原子层；
步骤三：石墨烯泡沫通过稀盐酸刻蚀去除镍骨架；
步骤四：石墨烯泡沫两侧有两个外接电极，两个外接电极通过导线引出；
步骤五：填充聚合物；得到三维柔性应变传感器。
9.根据权利要求7所述的一种用于优化三维柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：所述的聚合物为环氧树脂，采用A、B两种组分1:1体积比混合后，倒入待填充的石墨烯泡沫中，在常温常压下固化，固化时间不少于4小时。
10.根据权利要求1所述的一种用于优化三维柔性应变传感器，其特征在于：所述的石墨烯泡沫可替换为三维结构的碳纳米管、或金属骨架结构。
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