CN110726364A - 一种具有应变隔离效应的柔性应变传感器 - Google Patents

一种具有应变隔离效应的柔性应变传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有应变隔离效应的柔性应变传感器。所述应变传感器包括：柔性基底，所述柔性基底的表面预制有通过一定方法进行拉伸得到的平行裂纹结构或网格裂纹结构；应变隔离层，所述应变隔离层为模量远小于其基底的弹性体；导电填料涂覆于应变隔离层上作为应变响应层；以及应变响应层两端的电极。本发明所得的柔性裂纹应变传感器能够在保持较高的灵敏度的同时获得较大的可拉伸性。另外为了适应人体复杂的应变情况，本发明提供的具有网状裂纹结构基底来实现多向检测的功能，本发明解决了裂纹应变传感器具有高灵敏度时拉伸性能有限的问题，以及无法适应人体复杂应变情况的问题。

Description

一种具有应变隔离效应的柔性应变传感器
技术领域
本发明属于传感器制造技术领域，具体涉及一种具有应变隔离效应的柔性应变传感器。
背景技术
柔性可穿戴应变传感器广泛应用于电子皮肤、人体运动监控、人机交互、和软机器人等方面。通过将人体的机械刺激转化为电信号传递到手机或电脑中，从通过大数据的统计，能够准确的反应人体的实时身体状况和预测人体的健康程度。例如，通过柔性可穿戴传感器感知人体微弱的脉搏进而得到人体的实时血压。为了能够更可靠的反应身体的各项指标，迫切需要一个高灵敏度的应变传感器来精确的识别人体的各种运动情况。2014年Kang等人在Nature上发文(Ultrasensitive mechanical crack-based sensor inspired bythe spider sensory system)，发现蜘蛛对外界刺激的精准感知来源于触角上的微裂纹结构，所以他们提出了裂纹应变传感器，大大提高了应变传感器的灵敏度。然而，由于在裂纹处的应变集中，使得大部分裂纹应变传感器的应变范围受到限制(仅1％-2％)。为了解决裂纹应变传感器拉伸性能有限的问题，研究人员进行了大量的工作，但兼具大拉伸性能(ε>100％)和高灵敏度(GF>100)的应变传感器依旧是一个挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有裂纹应变传感器拉伸性能有限的缺点，提供一种具有应变隔离效应的柔性应变传感器，同时具有加工制备简单、生产成本低、灵敏度高、大的拉伸范围、稳定性好和使用寿命长等特点。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明一种具有应变隔离效应的应变传感器，所述应变传感器由下至上，依次包括柔性基底，应变隔离层、应变响应层；所述柔性基底表面含有裂纹结构；所述裂纹结构为平行裂纹结构或网格裂纹结构；柔性基底选自硅胶固化薄膜、硫化硅橡胶固化薄膜、聚二甲基硅氧烷固化薄膜中的至少一种；所述应变隔离层为模量小于柔性基底的弹性体；所述应变响应层为涂覆于应变隔离层的导电填料。
本发明所提供的柔性应变传感器能够在保持较高的灵敏度的同时获得较大的可拉伸性。为了适应人体复杂的应变情况，而所提供的具有网状裂纹结构基底更是可以实现多向检测的功能。
优选的方案，所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷固化薄膜，固化薄膜表面具有平行裂纹结构或网格裂纹的SiOx氧化层。
优选的方案，当柔性基底表面含平行裂纹结构，其制备方法为：将聚二甲基硅氧烷(PDMS)的前驱体与固化剂混合、固化成型获得聚二甲基硅氧烷固化薄膜，将聚二甲基硅氧烷固化薄膜置于UV/O3(紫外/臭氧)，获得表面含SiOx氧化层的聚二甲基硅氧烷固化薄膜，然后将表面含SiOx氧化层的聚二甲基硅氧烷固化薄膜进行单轴拉伸，获得表面具有平行裂纹的柔性基底。
在本发明中，获得具有规则裂纹阵列结构的基底的原理是：利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)在UV/O3处理下，表面易被氧化产生高模量SiOx的氧化层的特点。选择PDMS作为基底，在受外力作用下，高模量的SiOx的氧化层与低模量的基底之间产生应力错配，导致氧化层发生断裂，从而产生与外力方向相垂直的裂纹阵列。随着处理时间的增加，表面氧化层厚度变大，产生的裂纹数量减少。同时，随着拉伸应变的增加，产生的裂纹数量增加。
在本发中所得应变传感器中在裂纹处产生应变集中，导致了高的灵敏度和有限的拉伸性能。所以裂纹作为应变传感器性能的主要因素，通过调节裂纹的密度来调节应变传感器的灵敏度与拉伸性能之间的关系。
进一步的优选，所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)的前驱体与固化剂按8～12：1的重量比混合均匀。
进一步的优选，所述固化成型的过程为，将混合均匀的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的前驱体与固化剂倒入长方形模具中，采用真空泵脱气1～2h，然后于100℃～150℃固化1.5～3h。
进一步的优选，将固化的PDMS从模具中剥离，得到长条形的PDMS固化薄膜，将PDMS样条置于UV/O3处理15～30min，在表面产生SiOx的氧化层。
优选的方案，所述柔性基底表面含网格裂纹结构时，所述应变传感器为十字型结构。
优选的方案，当柔性基底表面含网格裂纹结构，其制备方法为：将聚二甲基硅氧烷(PDMS)的前驱体与固化剂混合、固化成型获得聚二甲基硅氧烷固化薄膜，利用掩模板在聚二甲基硅氧烷固化薄膜表面限定一个十字形的区域进行UV/O3处理，获得十字形区域表面含SiOx氧化层的聚二甲基硅氧烷固化薄膜，先于X方向上拉抻，再于垂直于X方向的Y方向拉伸即获得表面具有网状裂纹的柔性基底。
在本发明中，提供的含有网格裂纹结构柔性基底的应变传感器具有多方向检测功能，克服了传统应变传感器只能检测单轴应变的困境。
对于具有网状裂纹的柔性基底，由于一次拉伸的长裂纹的阻隔，所以只能产生不连续的短裂纹。网络状裂纹结构提供柔性应变传感器多方向检测能力的原理是：在X方向上产生的连续长裂纹，导致应变传感器在这个方向具有较大的电阻相应。而在Y方向由于二次拉伸产生的不连续短裂纹，在应变时也会发生应变集中，导致较大的电阻响应。通过调节二次拉伸的应变大小，可以调节短裂纹的密度，从而改变网状裂纹应变传感器在二次拉伸方向上的电阻响应。
因此基底施加的应力大小，可以获得不同形状的网格状裂纹结构。不同形状的网格状裂纹结构具有不同的检测能力。
进一步的优选，所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)的前驱体与固化剂按8～12：1的重量比混合均匀。
进一步的优选，所述固化成型的过程为，将混合均匀的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的前驱体与固化剂倒入正方形模具中，采用真空泵脱气1～2h，然后于100℃～150℃固化1.5～3h。
进一步的优选，将固化的PDMS从模具中剥离，得到正条形的PDMS固化薄膜，利用掩模板在聚二甲基硅氧烷固化薄膜表面限定一个十字形的区域进行UV/O3处理10～20min，获得十字形区域表面含SiOx氧化层的聚二甲基硅氧烷固化薄膜，先于X方向上拉抻150％，再于Y方向上拉伸200％。
一次拉伸150％和二次拉伸200％时，网状裂纹应变传感器在两个方向上对应变具有相同的电阻响应。
在本发明中，对于应变隔离层，只需要模量低于基底即可，现有技术中大多数商用低模量硅胶都可以采用，如选自Ecoflex,Dargon Skin,Solaris,Silbione中的任意一种均可。
优选的方案，所述应变隔离层为Ecoflex薄膜，所述应变隔离层的厚度为60-80μm。应变隔离层的厚度越大，应变隔离效果越明显。
优选的方案，所述应变隔离层的制备方法为：将预制的半固化Ecoflex层贴于柔性基底中含裂纹的表面，加热固化，即获得贴于柔性基底之上的应变隔离层。
进一步的优选，所述半固化Ecoflex层的制备方法为：通过旋涂机将液体的Ecoflex以1500rpm-3000rpm高速旋涂在载玻片上，得到60-80μm的未固化Ecoflex层，置于室温下10min以上，即得到半固化Ecoflex。
在实际操作过程中，预制的半固化Ecoflex层的形状根据柔性基底中SiOx氧化层的结构而定，如以含网格裂纹结构的柔性基底时，采用十字形掩模板在载玻片上限定一个十字形区域，从而获得与含网格裂纹结构的柔性基底SiOx氧化层对应的十字结构。
优选的方案，所述应变响应层为涂覆于应变隔离层的由导电材料分散于硅胶中形成的复合材料，其中导电材料选自碳纳米管，金属纳米线，石墨，石墨烯，炭黑，还原氧化石墨烯，碳纤维中的一种。
进一步的优选，所述应变响应层为石墨/Ecoflex复合材料。
进一步的优选，所述应变响应层的制备方法为：在应变隔离层上以4000-6000rpm速度旋涂一层未固化的Ecoflex，然后在未固化的Ecoflex的表面撒上石墨粉，加热固化获得石墨/Ecoflex复合材料
所述未固化的Ecoflex厚度为4～6μm。
在实际操作过程中，在未固化的Ecoflex的表面撒上石墨粉通过5μm的涂布棒将表层的液态Ecoflex紧紧接触一起，从而加热固化可获得一层均匀的石墨/Ecoflex复合材料层。
优选的方案，所述应变传感器还包括n个电极，所述电极位于应变响应层的端部。
在本发明中，电极个数极据应变响应层的端部数量而定，如含平行裂纹结构的应变感应器，通常为长条形，因此应变响应层只有两端，采用2个电极置于应变响应层其端部，瑞星含网格裂纹结构的应变感应器，为十字形，因而具有4端部，采用4个电极置于应变响应层其端部。
在实际操作过程中，在应变响应层的端部用银胶粘上铜线作为电极，接入测试电路，即可测试柔性应变传感器的传感参数。
同时在电极位置相同的基底底部，粘贴上一层刚性的聚酰亚胺薄膜，保护电极在应变下不被破坏。
本发明的有益效果：
现有技术中，获得兼具高的灵敏度和大的拉伸性能的应变传感器仍然较为困难。裂纹应变传感器具有较高的灵敏度，然而拉伸性能受到严重的限制。而本发明采用应变隔离的方法，使裂纹应变传感器具有较高的灵敏性和较大的拉伸性能，可以同时检测脉搏、呼吸等小应变以及关节、肌肉能大应变。此外，获得的柔性桥结构应变传感器在三个区域具有良好的线性，使得人们可以更好的通过电阻信号准确推测人体的运动。具有良好的稳定性，对不同速度、应变和循环运动具有稳定的信号输出。此外，本发明通过简单的网状裂纹结构设计，得到了具有多向应变检测功能的应变传感器，克服了传统应变传感器只能检测单轴应变的困境。综上所述，这种优异的性能在电子皮肤、人机交互、人体活动或健康监控和软体机器人等方面具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明制备的柔性应变传感器结构示意图。图中：1应变响应层、2应变隔离层、3裂纹层、4柔性基底。
图2为本发明制备的柔性应变传感器中应变隔离层的局部光镜图片。
图3为本发明制备的柔性应变传感器在拉伸情况下的SEM图像。
图4为本发明制备的柔性应变传感器在不同的UV/O3处理时间下应变-电阻(ΔR/R0)变化曲线。
图5为本发明制备的柔性应变传感器循环拉伸测试5000次的时间-电阻(ΔR/R0)变化曲线。
图6为本发明制备的柔性应变传感器在不同拉伸频率下的时间-电阻(ΔR/R0)变化曲线。
图7为本发明制备的具有多方向检测能力的柔性应变传感器的结构示意图和光镜图片，其中和5柔性基体，6电极，7十字形区域。
图8为本发明制备的具有多方向检测能力的柔性应变传感器的应变-电阻(ΔR/R0)变化曲线。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明，但不用于限制本发明方案的范围。
实施例1
步骤1.将聚二甲基硅氧烷PDMS的前体与固化剂按10：1的重量比混合均匀，倒入自制的矩形模具中，并用真空泵进行1小时的脱气处理，再置于干燥箱中100℃加热2小时固化。
步骤2.将固化的PDMS从模具中剥离，得到长条形的PDMS样条。将PDMS样条置于UV/O3处理20min，在表面产生SiOx的氧化层。随后在样条两端施加单轴拉伸应变，从而在样条表面产生裂纹。
步骤3.通过旋涂机将液体的Ecoflex以2000rpm高速旋涂在载玻片上，得到大约70μm的未固化Ecoflex层。置于室温下10min，使得未固化的Ecoflex转化为半固化状态。
步骤4.将基底中预制有裂纹的面与半固化状态的Ecoflex贴在一起，60℃加热固化，使得预制有裂纹的表面与Ecoflex通过热键和紧紧结合在一起，从而获得了置于裂纹上的应变隔离层。
步骤5.通过在应变隔离层上以5000rpm速度旋涂一层更薄的未固化的Ecoflex，随后在表面撒上石墨粉。通过5μm的涂布棒将表层的石墨粉与液态Ecoflex紧紧接触一起，形成一层均匀的石墨/Ecoflex复合材料层，作为应变响应层。
步骤6.在应变响应层的两端用银胶粘上铜线作为电极，接入测试电路，测试其组为柔性应变传感器的传感参数。在于电极位置相同的基底底部，粘贴上一层刚性的聚酰亚胺薄膜，保护电极在应变下不被破坏。
本实施例的柔性桥结构应变传感器的灵敏度为1143.86，可拉伸最大应变为123％。
实施例2
步骤1.将聚二甲基硅氧烷PDMS的前体与固化剂按10：1的重量比混合均匀，倒入自制的矩形模具中，并用真空泵进行1小时的脱气处理，再置于干燥箱中100℃加热2小时固化。
步骤2.将固化的PDMS从模具中剥离，得到长条形的PDMS样条。将PDMS样条置于UV/O3处理10min，在表面产生SiOx的氧化层。随后在样条两端施加单轴拉伸应变，从而在样条表面产生裂纹。
步骤3.通过旋涂机将液体的Ecoflex以2000rpm高速旋涂在载玻片上，得到大约70μm的未固化Ecoflex层。置于室温下10min，使得未固化的Ecoflex转化为半固化状态。
步骤4.将基底中预制有裂纹的面与半固化状态的Ecoflex贴在一起，60℃加热固化，使得预制有裂纹的表面与Ecoflex通过热键和紧紧结合在一起，从而获得了置于裂纹上的应变隔离层。
步骤5.通过在应变隔离层上以5000rpm速度旋涂一层更薄的未固化的Ecoflex，随后在表面撒上石墨粉。通过5μm的涂布棒将表层的石墨粉与液态Ecoflex紧紧接触一起，形成一层均匀的石墨/Ecoflex复合材料层，作为应变响应层。
步骤6.在应变响应层的两端用银胶粘上铜线作为电极，接入测试电路，测试其组为柔性应变传感器的传感参数。在于电极位置相同的基底底部，粘贴上一层刚性的聚酰亚胺薄膜，保护电极在应变下不被破坏。
本实施例的柔性桥结构应变传感器的灵敏度为100，可拉伸最大应变大于150％。
对比例1
除不在PDMS基底上预制裂纹之外，其他制备方法和条件与实施例1相同。
本实施例的柔性桥结构应变传感器的灵敏度为45.23，可拉伸最大应变大于200％。
实施例3
步骤1.步骤1.将聚二甲基硅氧烷PDMS的前体与固化剂按10：1的重量比混合均匀，倒入自制的方形模具中，并用真空泵进行1小时的脱气处理，再置于干燥箱中100℃加热2小时固化。
步骤2.将固化的PDMS从模具中剥离，得到正方形的PDMS基底。通过切纸机制作十字形的掩模板，在PDMS基底上限定一个十字形的区域置于UV/O3处理10min，在表面产生SiOx的氧化层。在基底两端施加150％的第一次单轴拉伸，从而在基底表面产生垂直于拉伸方向的长裂纹。随后在与一次单轴拉伸垂直的方向施加200％的第二次单轴拉伸，从而在基底表面产生于二次拉伸垂直的短裂纹，组成网络状裂纹结构。
步骤3.通过十字形掩模板在载玻片上限定一个十字形区域，使用旋涂机将液体的Ecoflex以2000rpm高速旋涂在载玻片的十字形区域上，得到大约70μm的未固化Ecoflex层。置于室温下10min，使得未固化的Ecoflex转化为半固化状态。
步骤4.将基底中预制有裂纹的十字形区域与载玻片十字形区域中半固化状态的Ecoflex贴在一起，60℃加热固化，使得预制有裂纹的表面与Ecoflex通过热键和紧紧结合在一起，从而获得了置于裂纹上的应变隔离层。
步骤5.通过在应变隔离层上以5000rpm速度旋涂一层更薄的未固化的Ecoflex，随后在表面撒上石墨粉。通过5μm的涂布棒将表层的石墨粉与液态Ecoflex紧紧接触一起，形成一层均匀的石墨/Ecoflex复合材料层，作为应变响应层。
步骤6.在十字形应变响应层四端用银胶粘上铜线作为电极，接入测试电路，测试其组为柔性应变传感器的传感参数。在于电极位置相同的基底底部，粘贴上一层刚性的聚酰亚胺薄膜，保护电极在应变下不被破坏。
对比例2
除不在PDMS基底上预制裂纹之外，其他制备方法和条件与实施例3相同。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明比喻依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品原料的等效替代及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种具有应变隔离效应的应变传感器，其特征在于：所述应变传感器由下至上，依次包括柔性基底，应变隔离层、应变响应层；所述柔性基底表面含有裂纹结构；所述裂纹结构为平行裂纹结构或网格裂纹结构；柔性基底选自硅胶固化薄膜、硫化硅橡胶固化薄膜、聚二甲基硅氧烷固化薄膜中的至少一种；所述应变隔离层为模量小于柔性基底的弹性体；所述应变响应层为涂覆于应变隔离层的导电填料。
2.根据权利要求1所述的一种具有应变隔离效应的应变传感器，其特征在于：所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷固化薄膜，固化薄膜表面具有平行裂纹结构或网格裂纹的SiOx氧化层。
3.根据权利要求1所述的一种具有应变隔离效应的应变传感器，其特征在于：当柔性基底表面含平行裂纹结构，其制备方法为：将聚二甲基硅氧烷的前驱体与固化剂混合、固化成型获得聚二甲基硅氧烷固化薄膜，将聚二甲基硅氧烷固化薄膜置于UV/O3，获得表面含SiOx氧化层的聚二甲基硅氧烷固化薄膜，然后将表面含SiOx氧化层的聚二甲基硅氧烷固化薄膜进行单轴拉伸，获得表面具有平行裂纹的柔性基底。
4.根据权利要求4所述的一种具有应变隔离效应的应变传感器，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷的前驱体与固化剂按8～12：1的重量比混合均匀；所述固化成型的过程为，将混合均匀的聚二甲基硅氧烷的前驱体与固化剂倒入长方形模具中，采用真空泵脱气1～2h，然后于100℃～150℃固化1.5～3h；将固化的PDMS从模具中剥离，得到长条形的PDMS固化薄膜，将PDMS样条置于UV/O3处理15～30min，在表面产生SiOx的氧化层。
5.根据权利要求1所述的一种具有应变隔离效应的应变传感器，其特征在于：当柔性基底表面含网格裂纹结构，其制备方法为：将聚二甲基硅氧烷的前驱体与固化剂混合、固化成型获得聚二甲基硅氧烷固化薄膜，利用掩模板在聚二甲基硅氧烷固化薄膜表面限定一个十字形的区域进行UV/O3处理，获得十字形区域表面含SiOx氧化层的聚二甲基硅氧烷固化薄膜，先于X方向上拉抻，再于垂直于X方向的Y方向拉伸即获得表面具有网状裂纹的柔性基底。
6.根据权利要求5所述的一种具有应变隔离效应的应变传感器，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷的前驱体与固化剂按8～12：1的重量比混合均匀；所述固化成型的过程为，将混合均匀的聚二甲基硅氧烷的前驱体与固化剂倒入正方形模具中，采用真空泵脱气1～2h，然后于100℃～150℃固化1.5～3h；将固化的PDMS从模具中剥离，得到正条形的PDMS固化薄膜，利用掩模板在聚二甲基硅氧烷固化薄膜表面限定一个十字形的区域进行UV/O3处理10～20min，获得十字形区域表面含SiOx氧化层的聚二甲基硅氧烷固化薄膜，先于X方向上拉抻150％，再于Y方向上拉伸200％。
7.根据权利要求1所述的一种具有应变隔离效应的应变传感器，其特征在于：所述应变隔离层为Ecoflex薄膜，所述应变隔离层的厚度为60-80μm。
8.根据权利要求7所述的一种具有应变隔离效应的应变传感器，其特征在于：所述应变隔离层的制备方法为：将预制的半固化Ecoflex层贴于柔性基底中含裂纹的表面，加热固化，即获得贴于柔性基底之上的应变隔离层。
9.根据权利要求1所述的一种具有应变隔离效应的应变传感器，其特征在于：所述应变响应层为涂覆于应变隔离层的由导电材料分散于硅胶中形成的复合材料，其中导电材料选自碳纳米管，金属纳米线，石墨，石墨烯，炭黑，还原氧化石墨烯，碳纤维中的一种。
10.根据权利要求9所述的一种具有应变隔离效应的应变传感器，其特征在于：所述应变响应层为石墨/Ecoflex复合材料；所述应变响应层的制备方法为：在应变隔离层上以4000-6000rpm速度旋涂一层未固化的Ecoflex，然后在未固化的Ecoflex的表面撒上石墨粉，加热固化获得石墨/Ecoflex复合材料。
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