CN110702147A - 一种柔性可拉伸传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

一种柔性可拉伸传感器及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种柔性可拉伸传感器及其制备方法和应用。传感器包括介电层，以及与所述介电层两面紧密贴合的碳纳米管薄膜，两面所述碳纳米管薄膜分别与相应的导电膜相连，所述导电膜分别连接到测量线上；所述介电层，包括柔性基体，所述柔性基体两面均附有胶粘剂，所述介电层上下表面为波浪形结构。同时本发明还提供了该柔性可拉伸传感器的制备方法及其应用。本发明的一种柔性可拉伸传感器具有良好的柔性和可拉伸性能，制程简单，对外界刺激较为敏感，有良好的循环稳定性，可重复多次使用；一般用于柔性机器人或电子皮肤检测人体运动状态等。

Description

一种柔性可拉伸传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种柔性可拉伸传感器及其制备方法和应用。
背景技术
柔性可穿戴电子产品应用于可穿戴人体健康监测和护理系统中，具有监测人体运动以及疾病预防的功能，因而受到越来越多的关注。碳纳米管具有良好的导电性，极大的纵横比，出色的柔韧性，重量轻，化学和热稳定性高等优点，并且随着碳纳米管的功能化以及大规模生产使它们成为柔性可穿戴电子产品的有力候选材料。为了进一步提高碳纳米管(Carbon NanoTube，简称CNT)在可穿戴应变传感器的应用效果，研究人员研发了具有各种形式的CNT,例如有序的CNT阵列，CNT纤维和CNT薄膜。
目前研究的柔性可拉伸传感器对外界刺激不敏感，而且柔性传感器制备流程复杂，例如硅基半导体型的电容压力传感器，大多基于光刻技术，存在柔性差，制造流程复杂和要求严格，成本较高等缺点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的柔性差，对外界刺激不敏感的问题，提供一种柔性可拉伸传感器，具有良好的柔性和可拉伸性能，制程简单，对外界刺激较为敏感，同时提供了该传感器的制备方法和应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种柔性可拉伸传感器，其包括介电层，以及与所述介电层两面紧密贴合的碳纳米管薄膜，两面所述碳纳米管薄膜分别与相应的导电膜相连，所述导电膜分别连接到测量线上；所述介电层，包括柔性基体，所述柔性基体两面均附有胶粘剂，所述介电层上下表面为波浪形结构。
优选地，所述介电层为VHB双面胶带，所述碳纳米管薄膜为多壁碳纳米管薄膜。VHB双面胶带自带有胶粘剂，碳纳米管薄膜直接贴合在VHB双面胶带上，节省制作流程，提高效率，多壁碳纳米管薄膜，具有大的比表面积，良好的有韧性和导电性，而且制备多壁碳纳米管薄膜的制程简单。
进一步的，两根所述测量线位于所述介电层的同一面上，其中一根测量线通过转换膜和若干导体柱与所述介电层另一面的所述导电膜相连，所述导体柱穿过所述介电层，另一根测量线直接与所述测量线同一面的所述导电膜相连；两根所述测量线位于所述介电层同侧或两侧，当位于所述介电层同侧时，两根所述测量线所在介电层的面上的导电膜、转换膜和导体柱位于碳纳米管薄膜同一侧；当位于所述介电层两侧时，两根所述测量线所在介电层的面上的导电膜和转换膜、导体柱位于碳纳米管薄膜的两侧；转换膜和导体柱不与介电层的同一面上的导电膜、碳纳米管薄膜接触。
进一步的，两根所述测量线分别位于所述介电层的两个面上，两根所述测量线位于所述介电层同侧或两侧。
与两面碳纳米管薄膜分别电性相连的两根测量线位于介电层的同一侧，防止柔性可拉伸传感器在粘贴时测量线影响测量精度，同时两根测量线位于介电层的同一侧，便于测量线与外部电路的连接操作。
优选地，所述导电膜、所述转换膜和所述导体柱均由导电银浆制成。导电银浆具有良好的导电性，良好的柔韧性，而且由导电银浆制成导电膜、转换膜和导体柱，操作工艺简单。
进一步的，还包括绝缘保护膜，所述绝缘保护膜覆盖在所述碳纳米管薄膜和所述导电膜的上面。绝缘保护膜覆盖在碳纳米管薄膜和导电膜上，一方面用于保护碳纳米管薄膜和导电膜，防止损伤，另一方面具有绝缘作用，防止潮气和水等对碳纳米管薄膜和导电膜造成绝缘问题。
一种柔性可拉伸传感器的制备方法，包括步骤：
步骤S1、清洗VHB双面胶带，并烘干；
步骤S2、将干燥后的VHB双面胶带拉伸至100％～800％应变，并用夹具固定两端，将VHB双面胶带保持拉伸状态；
步骤S3、将碳纳米管薄膜附着在载玻片上，然后通过载玻片将碳纳米管薄膜转移到VHB双面胶带的一面上；
步骤S4、重复步骤S3操作，使VHB双面胶带的另一面的附着碳纳米管薄膜，按压使碳纳米管薄膜与VHB双面胶带紧密接触，放松夹具，使VHB双面胶带与碳纳米管薄膜自然收缩；
步骤S5、将VHB双面胶带一面的碳纳米管薄膜的一侧与导电膜接触相连，测量线一端连接在导电膜，另一端与外部电路连接，以同样的连接方法将VHB双面胶带另一面的碳纳米管薄膜连出来。
优选地，在步骤S5中，所述导电膜为导电银浆，将导电银浆刷在所述碳纳米管薄膜的一侧，并烘干。用导电银浆作为导电膜具有操作简单的优点，可以直接通过涂覆或丝网印刷的方式附着在介电层上，而且易于控制导电膜的厚度。
进一步的，在步骤S5中，所述导电膜为导电银浆，将导电银浆刷在所述碳纳米管薄膜的一侧，并烘干，在其中一个导电膜上开有穿过VHB双面胶带的若干通孔，在所述通孔内安装导体柱，所述导体柱一端连有导电膜，另一端连有转换膜，所述转换膜贴在VHB双面胶带上，并连接有测量线。
优选地，在步骤S5中，所述导体柱和转换膜均由导电银浆制成，将导电银浆涂覆在通孔的另一端作为转换膜，然后在通孔内灌满导电银浆作为导体柱，并烘干，将测量线电性连接在转换膜上。
一种柔性可拉伸传感器和该柔性可拉伸传感器的制备方法制备的柔性可拉伸传感器的应用，所述柔性可拉伸传感器测量拉力和/或压力。本发明所获得的柔性可拉伸传感器，用于柔性机器人或电子皮肤检测人体运动状态等。
本发明的一种柔性可拉伸传感器及其制备方法和应用的有益效果是：
1.具有良好的柔性和可拉伸性能，制程简单，对外界刺激较为敏感，波浪形结构具有更好的柔性和可拉伸性能，而且对外界刺激更为灵敏；
2.本发明采用VHB双面胶带自带有胶粘剂，碳纳米管薄膜直接贴合在VHB双面胶带上，节省制作流程，提高效率，制备方法简单多壁碳纳米管薄膜，具有大的比表面积，良好的有韧性和导电性，而且制备多壁碳纳米管薄膜的制程简单，导电膜、转换膜和导体柱均有导电银浆制成，导电银浆具有良好的导电性，良好的柔韧性，操作工艺简单，制作成本低，性能好；
3.与两面碳纳米管薄膜分别电性相连的两根测量线位于介电层的一侧，更便于柔性可拉伸传感器的贴合，而且防止柔性可拉伸传感器在粘贴时测量线影响测量精度，同时两根测量线位于介电层的同一侧，便于测量线与外部电路的连接操作；
4.本发明所获得的柔性可拉伸传感器，具有对低压更灵敏的监测能力，有很好的循环稳定性，可重复多次使用；
5.本发明所获得的柔性可拉伸传感器，用于柔性机器人或电子皮肤检测人体运动状态等，将传感器贴在手指关节处，实现了对手指运动监测的功能，可以有效的监测到手指不同的运动状态，可实现应变和应力的检测。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的一种柔性可拉伸传感器的立体图；
图2是本发明的一种柔性可拉伸传感器的主视图；
图3是图2中X部分的局部放大图；
图4是本发明的一种柔性可拉伸传感器的第二种结构实施例的主视图；
图5是本发明的一种柔性可拉伸传感器的第三种结构实施例立体图；
图6是图5的主视图；
图7是本发明的一种柔性可拉伸传感器的第四种结构实施例立体图；
图8是本发明的VHB双面胶带的应力-应变图；
图9是本发明的一种柔性可拉伸传感器的压强与电容变化关系图；
图10是本发明的一种柔性可拉伸传感器对固定压力下循环性能图；
图11是本发明的一种柔性可拉伸传感器对手指运动的监测图。
图12是图11对对手指运动的监测结果示意图。
其中:1.介电层；2.碳纳米管薄膜；3.导电膜；4.测量线；5.绝缘保护膜；6.转换膜；61.导体柱。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-3所示的本发明的一种柔性可拉伸传感器的具体实施例，其包括介电层1，以及与介电层1两面紧密贴合的碳纳米管薄膜2，两面碳纳米管薄膜2分别与相应的导电膜3相连，导电膜3分别连接到测量线4上；介电层1，包括柔性基体，柔性基体两面均附有胶粘剂，介电层1上下表面为波浪形结构。优选地介电层1为VHB双面胶带，厚度优选为0.15～0.6mm，VHB双面胶带具有良好的柔韧性和可拉伸性，碳纳米管薄膜2优选为多壁碳纳米管薄膜2，进一步优选为顺排多壁碳纳米管薄膜2，导电膜3优选为由导电银浆制成，厚度优选0.05～0.2mm。
图1为介电层1两面的两根测量线4分别沿着介电层1从不同方向引出；第二种结构实施例，如图4所示，介电层1两面的两根测量线4分别沿着介电层1从同一方向引出。
为了方便应用，进一步地，将两根测量线4设置在介电层1的同一面上，其中一根测量线4通过转换膜6和若干导体柱61与介电层1另一面的导电膜3相连，导体柱61穿过介电层1，另一根测量线4直接与测量线4同一面的导电膜3相连。为了获得更好导电连接性和便捷的操作，优选地，导电膜3、转换膜6和导体柱61均由导电银浆制成。图5-6为第三种结构的实施例，介电层1下表面的导电膜3通过导体柱61与介电层1上表面的转换膜6连接起来，转换膜6远离介电层1上表面的碳纳米管薄膜2，与介电层1上表面的导电膜3位置相反。图7为第四种结构的实施例，介电层1下表面的导电膜3通过导体柱61与介电层1上表面的转换膜6连接起来，该转换膜6和介电层1上表面的导电膜3位于介电层1上表面的碳纳米管薄膜2同一侧，该转换膜6与介电层1上表面的导电膜3设有间隙，这样在介电层1上表面分别于转换膜6和导电膜3连接的两根测量线4都位于碳纳米管薄膜2的同一侧，该结构测量线4占有面积小，便于后续操作。
为了获得防潮性能更好的柔性可拉伸传感器，应用绝缘保护膜5覆盖在碳纳米管薄膜2和导电膜3的上面。这样既起到防潮的作用，也起到很好的保护作用，绝缘保护膜5优选为柔性可拉伸材料，如PDMS，SEBS、Eco-flex材料等，厚度优选为5～200um。
下面结合柔性可拉伸传感器的结构和制备方法具体实施例，介绍本发明内容，但不意图限制本发明。
实验所用原料型号规格及生产厂家如下表所示。
Figure BDA0002195457250000061
实验中所用到的仪器设备
Figure BDA0002195457250000062
柔性可拉伸传感器的制备方法，其步骤如下
步骤S1、将商用VHB双面胶带，型号为4910，用乙醇以及去离子水清洗5分钟使其粘性降低，然后在40℃干燥箱中干燥30分钟。接着将干燥后的VHB双面胶带剪裁成长3×2cm2的长方形作为中间介电层。
步骤S2、将剪裁好的VHB双面胶带拉伸至300％应变，并用夹具夹住两端将其固定，将VHB双面胶带保持在该拉伸状态下。
步骤S3、将载玻片上的碳纳米管薄膜2转移到VHB双面胶带上，利用VHB双面胶带本身的粘性将碳纳米管薄膜2从载玻片上粘至VHB双面胶带的表面。
步骤S4、重复上述操作，使VHB双面胶带的两面都附着碳纳米管薄膜2，并保持两个碳纳米管薄膜2正对。用手指轻轻按压使碳纳米管薄膜2与VHB双面胶带接触紧密，放松夹具使VHB双面胶自然收缩。
步骤S5、将两侧上的碳纳米管薄膜2的一端涂覆导电银浆并烘干，将测量线4连接到导电银浆上，本实施例中测量线4为铜薄片。
为了获得图5结构，在步骤S5中，在VHB双面胶带的一面，将导电银浆刷在所述碳纳米管薄膜2的一侧，在VHB双面胶带的另一面，将导电银浆刷在所述碳纳米管薄膜2的另一侧，并放在60℃干燥箱内，干燥2小时。在其中一个导电膜上开三个穿过VHB双面胶带的通孔，在该通孔远离导电膜的一端灌导电银浆，同时用导电银浆将三个通孔连接起来，并放在60℃干燥箱内，干燥2小时，用铜薄片或者其他导线将转换膜和导电膜引出来，方便与外部电路连接。为了获得图7结构，在步骤S5中，在VHB双面胶带的一面，将导电银浆刷在所述碳纳米管薄膜2的一侧，在VHB双面胶带的另一面，将导电银浆刷在所述碳纳米管薄膜2的同一侧，该面导电银浆的外延尺寸要比另外一面大一些，方便在其上开孔而不碰到另外一面的导电银浆，并放在60℃干燥箱内，干燥2小时。在外延尺寸大的导电膜上开三个穿过VHB双面胶带的通孔，在该通孔远离导电膜的一端灌导电银浆，同时用导电银浆将三个通孔连接起来，并放在60℃干燥箱内，干燥2小时，用铜薄片或者其他导线将转换膜和导电膜引出来，方便与外部电路连接。为了获得更好的绝缘，可在碳纳米管薄膜2和导电膜的表面涂一层PDMS，厚度为5～20um。
本发明的柔性可拉伸传感器的应变通过自制的电机模组来实现精确控制；通过精密LCR仪测量电容；从扫描电子显微镜获得SEM图像；使用万能试验机进行拉伸性能测试，拉伸速率为50mm/min；使用不同重量的砝码来测试器件对压力的敏感性能。
请参阅图8，图8为美国3M公司商用VHB双面胶带，型号4910，厚度0.4mm的应力-应变图，VHB双面胶带具有优异的机械性能，可拉伸至950％，断裂应力高达800kPa，并且其本身自带的粘附性使其与碳纳米管薄膜2结合的特别牢固，使制备柔性可拉伸传感器更加简单，而且有较低的成本。
请参阅图9-10，图9是本发明的一种柔性可拉伸传感器的压强与电容变化关系图，随着压力的增加，电容变化越来越大，从图中可以看出，前期加载小压力情况下器件电容变化较大，后期随着压力的增大电容变化越来越小。通过线性拟合，拟合出了曲线具有两段灵敏系数，在400Pa小压力范围下器件的灵敏度为3.6，而在400Pa以上时灵敏度下降，只有0.2的灵敏系数，这些现象显示了该柔性可拉伸传感器具有更好的低压敏感性。由于介电层1可压缩空间较大，在小压力作用下就可发生大的形变，从而使得电容变化较大；而后可压缩空间越来越小，并随着压力的继续增加，最终达到饱和无法继续变薄，导致电容变化减小灵敏度下降。图10为本发明的一种柔性可拉伸传感器对固定压力下循环性能图，柔性可拉伸传感器在400Pa压力作用下的循环图，把20g的砝码不断重复的放在该传感器上来测试传感器对压力的稳定性能，可以看出器件受到压力时会显示电容的变化，力消失后恢复到原始状态，重复性能良好，加载同样重物的电容误差不超过0.05PF，恢复则是完全还原到原始状态。
请参阅图11，图11是本发明的一种柔性可拉伸传感器对手指运动的监测。将该传感器贴在手指关节上，当手指弯曲到不同角度时，该传感器被拉伸到不同的应变，导致碳纳米管薄膜2正对面积增加同时电容的介电层厚度减小，从而产生电容的变化。当保持一定角度固定时，传感器的电容维持稳定，而当手指回复至初始状态时电容依然可以很好的恢复到原始值并维持稳定数值；见图12。这种优异的恢复性能主要归因于VHB双面胶带强的粘附性，这种粘附能力使碳纳米管薄膜2非常好的附着在VHB双面胶带上不易受到外部环境的影响。
一种柔性可拉伸传感器和该柔性可拉伸传感器的制备方法制备的柔性可拉伸传感器的应用，柔性可拉伸传感器测量拉力和/或压力。本发明所获得的柔性可拉伸传感器，用于柔性机器人或电子皮肤检测人体运动状态等，如图11所示，可实现对手指运动的监测。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种柔性可拉伸传感器，其特征在于：所述柔性可拉伸传感器包括介电层，以及与所述介电层两面紧密贴合的碳纳米管薄膜，两面所述碳纳米管薄膜分别与相应的导电膜相连，所述导电膜分别连接到测量线上；所述介电层，包括柔性基体，所述柔性基体两面均附有胶粘剂，所述介电层上下表面为波浪形结构。
2.如权利要求1所述的一种柔性可拉伸传感器，其特征在于：所述介电层为VHB双面胶带，所述碳纳米管薄膜为多壁碳纳米管薄膜；VHB双面胶带自带有胶粘剂，碳纳米管薄膜直接贴合在VHB双面胶带上。
3.如权利要求1所述的一种柔性可拉伸传感器，其特征在于：两根所述测量线分别位于所述介电层的两个面上，两根所述测量线位于所述介电层同侧或两侧；或两根所述测量线位于所述介电层的同一面上，其中一根测量线通过转换膜和若干导体柱与所述介电层另一面的所述导电膜相连，所述导体柱穿过所述介电层，另一根测量线直接与所述测量线同一面的所述导电膜相连；两根所述测量线位于所述介电层同侧或两侧，当位于所述介电层同侧时，两根所述测量线所在介电层的面上的导电膜、转换膜和导体柱位于碳纳米管薄膜同一侧；当位于所述介电层两侧时，两根所述测量线所在介电层的面上的导电膜和转换膜、导体柱位于碳纳米管薄膜的两侧；转换膜和导体柱不与介电层的同一面上的导电膜、碳纳米管薄膜接触。
4.如权利要求3所述的一种柔性可拉伸传感器，其特征在于：所述导电膜、所述转换膜和所述导体柱均由导电银浆制成。
5.如权利要求1所述的一种柔性可拉伸传感器，其特征在于：还包括绝缘保护膜，所述绝缘保护膜覆盖在所述碳纳米管薄膜和所述导电膜的上面。
6.如权利要求1所述的一种柔性可拉伸传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、清洗VHB双面胶带，并烘干；
步骤S2、将干燥后的VHB双面胶带拉伸至100％～800％应变，并用夹具固定两端，将VHB双面胶带保持拉伸状态；
步骤S3、将碳纳米管薄膜附着在载玻片上，然后通过载玻片将碳纳米管薄膜转移到VHB双面胶带的一面上；
步骤S4、重复步骤S3操作，使VHB双面胶带的另一面的附着碳纳米管薄膜，按压使碳纳米管薄膜与VHB双面胶带紧密接触，放松夹具，使VHB双面胶带与碳纳米管薄膜自然收缩；
步骤S5、将VHB双面胶带一面的碳纳米管薄膜的一侧与导电膜接触相连，测量线一端连接在导电膜，另一端与外部电路连接，以同样的连接方法将VHB双面胶带另一面的碳纳米管薄膜连出来。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在步骤S5中，所述导电膜为导电银浆，将导电银浆刷在所述碳纳米管薄膜的一侧，并烘干。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在步骤S5中，所述导电膜为导电银浆，将导电银浆刷在所述碳纳米管薄膜的一侧，并烘干，在其中一个导电膜上开有穿过VHB双面胶带的若干通孔，在所述通孔内安装导体柱，所述导体柱一端连有导电膜，另一端连有转换膜，所述转换膜贴在VHB双面胶带上，并连接有测量线。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在步骤S5中，所述导体柱和转换膜均由导电银浆制成，将导电银浆涂覆在通孔的另一端作为转换膜，然后在通孔内灌满导电银浆作为导体柱，并烘干，将测量线电性连接在转换膜上。
10.根据权利要求1-5任一项所述的一种柔性可拉伸传感器的应用，其特征在于，用于柔性机器人或电子皮肤检测人体运动状态。
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