CN110375636A - 一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器，主要由应变传感器主体和应变信号读取接口构成；所述应变传感器主体，由基于柔性多孔材料切割成型的柔性基底、附着于该基底表面的导电材料和封装材料构成。该种柔性传感器皮肤通过内部结构的设计使得其具有良好的拉伸性能、较大的灵敏度和测量范围。同时，本发明的内部结构是能够进行不同阵列的排布，从而满足不同的使用环境和适用条件。

Description

一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器。
背景技术
随着人工智能的高速发展和智能终端的普及，服务型机器人与可穿戴式设备等领域呈现出巨大的市场前景，将对人类社会未来发展产生重大的影响。
在相关产品的研发设计过程中，高性能的传感器也一直是研究的重点。而应变传感器具有广泛的应用价值，在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、柔性电子皮肤，甚至工业机器人等领域拥有很大的应用潜力。
目前，传统的柔性应变传感器基底材料为表面平整的弹性薄膜，如聚甲基乙烯基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、Dragon skin、橡胶等，其表面嵌入或覆盖的导电层也为平面结构。这种平面结构的应变传感器普遍存在拉伸性能较差，灵敏度不够高，难以检测微小形变的缺点，限制了其发展和应用。因此，迫切需要一种高拉伸性，高灵敏度，同时制备工艺简便的新型应力传感器。
发明内容
为了解决传统柔性传感器的灵敏度不够高，难以检测微小形变，测量范围较小等缺点。本发明提出了一种基于多孔结构的柔性传感装置，可以应用于机器人或可穿戴式设备的传感器，极大提升了应变传感器在低应变范围的灵敏度，扩大了传感器的应变检测范围。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：
本发明包括传感器主体和应变信号读取接口，应变信号读取接口主要由铜针和信号传输导线构成，传感器主体的两端分别插有铜针，传感器主体通过铜针与信号传输导线连接；传感器主体为多孔结构，多孔结构在微观上主要由内而外依次包覆的柔性基底、导电材料层和封装材料层构成。
所述的传感器主体的制作方法包括以下步骤：首先，将预聚物、固化剂、导电材料搅拌混合得到混合液，再将切割成型后的柔性基底充分浸泡在混合液中或者将混合液均匀滴在柔性基底上，烘干后用正己烷溶液再进行清洗柔性基底，最后烘干得到传感器主体。
本发明利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)与固化剂配合适当的溶剂(如正己烷、硅油等)将导电材料(纳米碳管、碳黑)固化在聚氨酯海绵表面，辅之以结构设计提高其延展性的方法，制备了具有优良应变-电阻曲线的PDMS海绵介质层，通过较为简易的方法完成了柔性应变传感器的制备。制备获得的传感器主体具有多孔结构，内部形成了微观丝状导电通路。
所述的传感器主体的外形结构主要由基本结构单元组成，具体有两种外形结构：多个基本结构沿直线方向间隔排布形成一列单元，多列单元间隔平行排布，从而构成第一种外形结构；多个基本结构沿直线方向间隔排布形成单列单元，形成第二种外形结构；基本结构单元为环形体结构，环形体结构的中间开有通槽，一列中相邻两个环形结构之间通过颈状结构圆滑过渡连接。
所述的预聚物与固化剂的质量比或体积比约为10:1，导电材料的质量为固化剂与预聚物总质量的8％。
所述的导电材料采用纳米碳管或碳黑，柔性基底采用柔性多孔材料，具体采用聚氨酯海绵材料；预聚物采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
为使传感器能获得更大的拉伸应变测量范围，需要设计一种多孔可拉伸结构，提高传统无结构传感器可产生高拉伸形变的能力。经实验验证，拉伸结构中间区域的拉伸性能优于拉伸结构两侧区域，因此，拉伸性能主要受限于两侧区域。为了解决这一问题，设计一种自相似的结构，使得拉伸结构中间区域和两侧区域均能获得相同的伸长量，从而提高传感器的可拉伸性能。从测试结果上来看，具有本发明所述可拉伸结构的柔性应变传感器的拉伸性能可达200％ (可拉伸至传感器原长度的两倍)以上。
本发明的原理是：外部拉应力作用在本发明所述传感器主体的上下两端，可以使传感器主体产生拉应变，继而改变附着在柔性基底上的导电材料层中微观丝状导电通路数目，引发传感器主体电阻值的改变。该电阻值的变化，可以反应外界施加在传感器主体上的拉伸应力和拉伸应变的大小。
本发明选择聚氨酯海绵材料作为基底，并通过调整预聚物、固化剂、碳黑和正己烷的合理配比(通过实验得最佳配比是：预聚物与固化剂的质量比约为 10:1，碳黑的质量为固化剂与预聚物总质量的8％)，结合图5中多孔结构的设计，相比于传统无结构的柔性传感器，有效提高了传感器的灵敏度，解决了测量范围小的问题。
本发明其有益效果为：
本发明通过优化设计应变传感器主体的高强度、可拉伸的结构，显著提高了以多孔材料为基底的柔性应变传感器的拉伸性能，有效克服了传统无结构的柔性应变传感器测量范围小和灵敏度较低的问题。此外，本发明选用聚氨酯海绵，优化了导电材料、封装材料和稀释剂的配比。
本装置具有柔性多孔传感结构，能有效缓冲物体(譬如人体)与传感装置的接触。另一方面，本发明可以通过改变结构设计来改变传感器的特性，允许使用者根据不同的使用条件自由调整获得具有不同灵敏度和测量范围的柔性传感器。
附图说明
图1为本发明多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器的结构示意图和微观示意图；
图2为本发明多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器的微观示意图；
图3为本发明多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器主体的基本结构图；
图4为本发明多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器的主体的三种结构图。
图5为本发明多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器(a)、(b)、(c) 三种结构的轴测图；
图6为本发明多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器的主体的三种结构所测得的电阻—应变曲线图，从上至下分别对应图3中的(a)、(b)、(c)三种结构；
图中：传感器主体1、应变信号读取接口2、柔性基底3、导电材料层4、封装材料层5、铜针6、信号传输导线7。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，两个铜针6分别插入在应变传感器主体1的两端，每个铜针6 又分别与各自的信号传输导线7连接，每个铜针6及其对应的信号传输导线7 形成一个应变信号读取接口2。
如图2所示，高拉伸柔性应变传感器的微观结构由基于柔性多孔材料切割成型的柔性基底3、附着于该基底表面的导电材料4和封装材料5构成，柔性基底3的外周包覆导电材料层4，导电材料层4的外周包覆封装材料层5。
柔性多孔应变传感单元是通过将包括但不限于成型好的聚氨酯海绵浸泡入包括但不限于碳纳米管等含敏感导电材料的溶液中再取出，或将碳纳米管等含敏感导电材料的溶液滴在聚氨酯海绵上；然后烘干，再用正己烷溶液进行清洗，然后再烘干制成获得。制备获得的柔性多孔敏感压力传感单元具有多孔结构，内部形成了微观丝状导电通路。
如图3所示，为提升其拉伸性能，需要较高的长宽比，同时又考虑到强度等方面，设计了如图2所示的基本结构单元。基本结构单元为方形环状的环形体结构，方形的环形体结构相邻两条边之间圆滑过渡连接，环形体结构的中间开有通槽，通槽为条形通槽，条形通槽的中部轴对称地开有向外延伸的弧形缺口。
如图4、图5所示，两种结构均由若干相同的基本结构组成，(a)、(b) 分别为第一种结构(a结构)和第二种结构(b结构)。a结构是多个基本结构沿直线方向间隔排布形成一列单元，多列单元间隔平行排布，便构成了图3中所示的a结构，a结构基本结构紧密有序排列。由于其结构壁较薄，拉伸性能较好，但同时也存在受力范围较小的缺点。
b结构是多个基本结构沿直线方向间隔排布形成单列单元，一列中相邻两个环形结构之间通过颈状结构圆滑过渡连接，图3所示的b结构的基本结构较为稀疏地单列排列，其能承受较大的拉力范围，但拉伸性能不如第一种结构。图3 为不含基本结构单元的长方体结构的应变传感器，并将c结构作为对照结构。
具体实施中，应变传感器主体1的内部结构的排布包括但不限于图4和图5 中所示的排布阵列，外部轮廓包括但不限于图4和图5所示的长方形结构。
基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器制备条件如表1所示。
表1
固化剂 3.005g
聚二甲基硅氧烷(PDMS) 29.994g
导电材料(碳黑) 2.640g
正己烷 加至100ml
柔性传感器通过以下步骤获得：
步骤一：向洁净干燥的烧杯中加入一定质量的固化剂，之后加入预聚物，预聚物与固化剂的质量比约为10:1，再加入碳黑，其质量为固化剂与预聚物总质量的8％，最后加入一定量正己烷，获得浸泡所需的混合液。
步骤二：向混合液中加入带磁性的搅拌子，用磁力搅拌器搅拌至均匀。
步骤三：将切割好的海绵完全浸入混合液中，浸泡8分钟左右，在这过程中不断用玻璃棒挤压海绵。
步骤四：将经过反复挤压浸泡完的海绵放入烘箱中烘干，取出烘干后的海绵用正己烷清洗并再次烘干最终得到传感器皮肤成品。
对三种结构进行大量拉伸试验，得到图6(a)、(b)、(c)中所示结果。由图可见，尽管两种结构a和b的线性度略有下降但对测量的精准度影响较小。而结构a的灵敏度为2.5E6，应变测量范围为0-0.8，结构b的灵敏度为7.7E6，应变测量范围为0-0.6，对照组c内部无结构的灵敏度为4.3E4，应变测量范围为 0-0.3。由此可以说明该种结构的柔性应变传感器能够将灵敏度提高一百倍左右，测量范围提高两到三倍，测量范围反映了柔性传感器的拉伸性能，因此本发明的柔性应变传感器具有高拉伸性、高灵敏性。因此，本发明可以改变结构来改变传感器的特性，允许使用者根据不同的使用条件自由调整获得具有不同灵敏度和测量范围的柔性传感器。

Claims (5)

1.一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器，其特征在于：包括传感器主体(1)和应变信号读取接口(2)，应变信号读取接口(2)主要由铜针(6)和信号传输导线(7)构成，传感器主体(1)的两端分别插有铜针(6)，传感器主体(1)通过铜针(6)与信号传输导线(7)连接；传感器主体(1)为多孔结构，多孔结构在微观上主要由内而外依次包覆的柔性基底(3)、导电材料层(4)和封装材料层(5)构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器，其特征在于：所述的传感器主体(1)的制作方法包括以下步骤：首先，将预聚物、固化剂、导电材料搅拌混合得到混合液，再将切割成型后的柔性基底(3)充分浸泡在混合液中或者将混合液均匀滴在柔性基底(3)上，烘干后用正己烷溶液再进行清洗柔性基底(3)，最后烘干得到传感器主体(1)。
3.根据权利要求1所述的一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器，其特征在于：所述的传感器主体(1)的外形结构主要由基本结构单元组成，具体有两种外形结构：多个基本结构沿直线方向间隔排布形成一列单元，多列单元间隔平行排布，从而构成第一种外形结构；多个基本结构沿直线方向间隔排布形成单列单元，形成第二种外形结构；基本结构单元为环形体结构，环形体结构的中间开有通槽，一列中相邻两个环形结构之间通过颈状结构圆滑过渡连接。
4.根据权利要求2所述的一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器，其特征在于：所述的预聚物与固化剂的质量比或体积比为10:1，导电材料的质量为固化剂与预聚物总质量的8％。
5.根据权利要求2所述的一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器，其特征在于：所述的导电材料采用纳米碳管或碳黑，柔性基底(3)采用柔性多孔材料，具体采用聚氨酯海绵材料；预聚物采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
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