CN110926387A - 一种柔性可拉伸应变传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于应变测量领域，并具体公开了一种柔性可拉伸应变传感器及其制备方法，包括柔性基底、共面波导传输线、第一缝隙阶跃阻抗谐振器和第二缝隙阶跃阻抗谐振器，共面波导传输线、第一缝隙阶跃阻抗谐振器和第二缝隙阶跃阻抗谐振器均设置在柔性基底上；共面波导传输线整体外轮廓与柔性基底相同，其包括信号传输线、第一地线和第二地线，第一缝隙阶跃阻抗谐振器包括第一方块和第二方块，第二缝隙阶跃阻抗谐振器包括第三方块和第四方块，第三方块与第一方块大小相同且对称分布，第四方块与第二方块大小不同。本发明具有灵敏度高、稳定性好、拉伸动态范围大、制备简单、能实时测量且能同步检测两个不同方向上的拉伸应变的优点。

Description

一种柔性可拉伸应变传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于应变测量领域，更具体地，涉及一种柔性可拉伸应变传感器及其制备方法。
背景技术
可穿戴智能设备的快速发展，对具有高性能的柔性应变传感器的需求越来越巨大。柔性应变测量类传感器以其贴合性好、分辨率高、制造成本低和易于集成等特点，在人体健康监测、人体运动检测、生物医疗、电子皮肤等领域具有广阔的应用前景。
传统的柔性应变传感器主要有电阻效应类、电容效应类和压电效应类等，其传感机理是将机械形变转化为易于输出读取的电信号。然而，在利用电信号感知时，会受到信号回滞、外界电磁干扰、制作难度大等问题，阻碍其测量的准确性和稳定性。而且，基于电阻效应和电容效应的应变传感器严重依赖于晶体管和供电电源等有源模块的可靠性和稳定度，且电源的体积和容量直接影响着应变传感器的可穿戴性和连续监测能力，这极大地限制了这几类应变传感器的实际应用场景。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性可拉伸应变传感器及其制备方法，其目的在于，采用柔性基底，其上印制有具有缝隙阶跃阻抗谐振器空槽图案的共面波导传输线，通过测量其频域传输特性响应上的频率移动变化度量拉伸形变大小，该传感器灵敏度高、稳定性好且制备方法简单。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种柔性可拉伸应变传感器，包括柔性基底、共面波导传输线、第一缝隙阶跃阻抗谐振器和第二缝隙阶跃阻抗谐振器，其中：
所述共面波导传输线、第一缝隙阶跃阻抗谐振器和第二缝隙阶跃阻抗谐振器均设置在所述柔性基底上；
所述共面波导传输线整体外轮廓与所述柔性基底相同，其包括信号传输线、第一地线和第二地线，其中，所述信号传输线位于所述柔性基底中部，其两端设置有接头；所述第一地线和第二地线平行且对称设置在所述信号传输线两侧，且所述第一地线、第二地线与所述信号传输线间均设有开槽；
所述第一缝隙阶跃阻抗谐振器包括第一方块和第二方块，所述第一方块为所述第一地线内的凹槽，所述第二方块为所述第一地线上连接所述第一方块和开槽的凹槽；
所述第二缝隙阶跃阻抗谐振器包括第三方块和第四方块，所述第三方块为所述第二地线内的凹槽，其与所述第一方块大小相同，且与所述第一方块相对于所述信号传输线对称；所述第四方块为所述第二地线上连接所述第三方块和开槽的凹槽，其与所述第二方块大小不同。
作为进一步优选的，所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷薄膜。
作为进一步优选的，所述柔性基底厚度为50μm～150μm，进一步优选为80μm～120μm。
作为进一步优选的，所述共面波导传输线厚度为20μm～40μm。
作为进一步优选的，所述信号传输线宽度为1mm～3mm，所述第一地线和第二地线的宽度为5mm～10mm。
按照本发明的另一方面，提出了一种柔性可拉伸应变传感器制备方法，包括如下步骤：
S1将柔性基底固定在硅片上，采用丝网印刷方法在柔性基底上印刷形成共面波导传输线、第一缝隙阶跃阻抗谐振器和第二缝隙阶跃阻抗谐振器；
S2将印刷后的柔性基底从硅片上剥离，在共面波导传输线中的信号传输线两端粘附接头，完成柔性可拉伸应变传感器的制备。
作为进一步优选的，所述S1中，将柔性基底固定在硅片上时，采用未固化的聚二甲基硅氧烷与固化剂均匀混合，然后将其旋涂在硅片上并进行固化。
作为进一步优选的，所述聚二甲基硅氧烷与固化剂的混合比例为8:1～12:1。
作为进一步优选的，所述S1中，采用石墨烯导电浆料在柔性基底上印刷共面波导传输线。
作为进一步优选的，所述S1中，完成丝网印刷后，将印刷后的柔性基底在80℃～100℃的温度下进行加热固化。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明传感器采用柔性基底，其上印制有具有缝隙阶跃阻抗谐振器空槽图案的共面波导传输线，具有灵敏度高、稳定性好、拉伸动态范围大、制备简单、能同步检测两个不同方向上的拉伸应变的特点，并且将该柔性可拉伸应变传感器贴合于人体皮肤或衣物上，可用于监测人体生理参数、身体动作和手势等，在柔性可穿戴领域具有广大的应用前景。
2.本发明采用缝隙阶跃阻抗谐振器作为敏感单元，利用其在频域上的谐振频率点的变化，来度量拉伸形变大小，相较于传统电信号度量方式，具有实时测量、灵敏度高、不受外界环境干扰的优点。
3.本发明中两个缝隙阶跃阻抗谐振器的谐振频率在不同的区间，故仅根据其不同区间频移量大小，即可同步实时测量上下两个方向的拉伸应变。
4.本发明利用柔性PDMS薄膜为基底，采用高导电复合材料实现导电图案，能保证在较大拉伸条件下，仍具有较高的导电性，提高测量的准确性和稳定度；同时控制柔性基底和共面波导传输线的厚度，保证其强度和性能。
5.本发明采用丝网印刷工艺制备该柔性可拉伸应变传感器，制备方法简单，耗时短，成本低。
附图说明
图1是本发明实施例柔性可拉伸应变传感器整体结构示意图；
图2是本发明实施例柔性可拉伸应变传感器结构分解图；
图3是本发明实施例柔性可拉伸应变传感器剖面图；
图4是本发明实施例柔性可拉伸应变传感器制备流程图，其中(a)为固定柔性基底，(b)为丝网印刷，(c)为粘附接头；
图5是本发明实施例柔性可拉伸应变传感器在不拉伸状态以及仅拉伸第二缝隙阶跃阻抗谐振器时的频域传输特性响应图；
图6是本发明实施例柔性可拉伸应变传感器在仅拉伸第一缝隙阶跃阻抗谐振器以及同时拉伸两个缝隙阶跃阻抗谐振器时的其频域传输特性响应图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的部件或结构，其中：1-柔性基底，2-共面波导传输线，3-第一缝隙阶跃阻抗谐振器，4-第二缝隙阶跃阻抗谐振器，2-1-信号传输线，2-2-第一地线，2-3-第二地线，2-4-开槽，3-1-第一方块，3-2-第二方块，4-1-第三方块，4-2-第四方块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变传感器，如图1至图3所示，包括柔性基底1、共面波导传输线2、第一缝隙阶跃阻抗谐振器3和第二缝隙阶跃阻抗谐振器4，其中：
所述共面波导传输线2、第一缝隙阶跃阻抗谐振器3和第二缝隙阶跃阻抗谐振器4均设置在所述柔性基底1上；
所述共面波导传输线2整体外轮廓与所述柔性基底1相同，其包括信号传输线2-1、第一地线2-2和第二地线2-3，其中，所述信号传输线2-1位于所述柔性基底1中部，其两端设置有接头；所述第一地线2-2和第二地线2-3平行且对称设置在所述信号传输线2-1两侧，第一地线2-2和第二地线2-3大小相同，且第一地线2-2、第二地线2-3与所述信号传输线2-1间均设有开槽2-4；
所述第一缝隙阶跃阻抗谐振器3包括第一方块3-1和第二方块3-2，所述第一方块3-1为所述第一地线2-2内的凹槽，所述第二方块3-2为所述第一地线2-2上连接所述第一方块3-1和开槽2-4的凹槽；
所述第二缝隙阶跃阻抗谐振器4包括第三方块4-1和第四方块4-2，所述第三方块4-1为所述第二地线2-3内的凹槽，其与所述第一方块3-1大小相同，且与所述第一方块3-1相对于所述信号传输线2-1对称；所述第四方块4-2为所述第二地线2-3上连接所述第三方块4-1和开槽2-4的凹槽，其与所述第二方块3-2大小不同。
优选的，所述柔性基底1为聚二甲基硅氧烷薄膜；所述柔性基底1厚度为50μm～150μm，进一步优选为80μm～120μm；所述共面波导传输线2厚度为20μm～40μm；所述信号传输线2-1宽度为1mm～3mm，所述第一地线2-2和第二地线2-3的宽度为5mm～10mm。
制备上述柔性可拉伸应变传感器，如图4所示，包括如下步骤：
S1将未固化的聚二甲基硅氧烷PDMS与固化剂按8:1～12:1的比例均匀混合，然后将其旋涂在洁净的硅片上，并在80℃～100℃的烘箱中加热30min～40min进行固化，形成在硅片上的PDMS柔性基底；
S2利用包含共面波导传输线2、第一缝隙阶跃阻抗谐振器3和第二缝隙阶跃阻抗谐振器4形状尺寸的网版，采用石墨烯导电浆料，通过丝网印刷的方法，在PDMS柔性基底上印刷图案，并在80℃～100℃的温度下加热固化2h～3h；
S3将PDMS柔性基底从硅片上剥离，采用导电银浆将两个微型SMA接头分别粘附在信号传输线2-1两端，形成输入端和输出端，再利用紫外光固化胶将连接好的微型SMA接头封装，完成柔性可拉伸应变传感器的制备。
采用上述柔性可拉伸应变传感器进行检测，包括如下步骤：
S1将柔性可拉伸应变传感器输入输出端的SMA接头连接至矢量网络分析仪，然后在输入端激励一个10GHz以下的扫频信号，并在其输出端通过网络矢量分析仪进行频域传输特性响应的读取分析，确定初始谐振频率，得到第一缝隙阶跃阻抗谐振器3的初始谐振频率点f01，第二缝隙阶跃阻抗谐振器4的初始谐振频率点f02；
S2应变测量：
(1)单独测量：对第一缝隙阶跃阻抗谐振器3或第二缝隙阶跃阻抗谐振器4单独施加外界应变，在输出端的频域传输响应曲线上，其相应的谐振频率点f01或f02出现不同程度的偏移，根据该偏移量即可确定应变量；
(2)同时测量：对第一缝隙阶跃阻抗谐振器3和第二缝隙阶跃阻抗谐振器4同时施加外界应变，在输出端的频域传输响应曲线上，其相应的谐振频率点f01和f02同时出现不同程度的偏移，且其移动的范围分属于不同的频率区间，根据不同频率区间内的频率偏移量和应变大小的对应关系，即可完成不同方向上应变的同步测量。
以下为具体实施例：
本实施例中的柔性可拉伸应变传感器：柔性基底1为PDMS薄膜，厚度为100μm，在1GHz～3GHz之间，其介电常数为2.9，损耗正切角为0.02；共面波导传输线2采用石墨烯导电材料，厚度为30μm，电导率为4.3×104S/m，其长度为为16mm，信号传输线2-1宽度为2mm，第一地线2-2和第二地线2-3的宽度为7mm，开槽2-4的宽度为0.1mm；第一方块3-1和第三方块4-1的尺寸相同，长宽分别为14mm和3.5mm，第二方块3-2的长宽分别为0.5mm和1.5mm，第四方块4-2的长宽分别为0.8mm和1.5mm。
采用该柔性可拉伸应变传感器进行应变测量：
如图5所示，为在不拉伸状态以及仅拉伸第二缝隙阶跃阻抗谐振器4时，其频域传输特性响应图。当不拉伸时，频域传输特性曲线上的初始谐振频率为f01和f02，分别为5.63GHz和8.68GHz；当仅拉伸第二缝隙阶跃阻抗谐振器4时候，仅f02发生频率，具体为，当向下拉伸1mm时，谐振频率f02变化为8.87GHz；当向下拉伸2mm时，谐振频率f02变化为9.39GHz。
如图6所示，为在仅拉伸第一缝隙阶跃阻抗谐振器3以及同时拉伸第一缝隙阶跃阻抗谐振器3和第二缝隙阶跃阻抗谐振器4时，其频域传输特性响应图。当仅拉伸缝隙阶跃阻抗谐振器3时候，仅f01发生频率，具体为，当向上拉伸1mm时，谐振频率f01变化为5.42GHz；当向上拉伸2mm时，谐振频率f01变化为5.10GHz；若同时拉伸第一缝隙阶跃阻抗谐振器3和第二缝隙阶跃阻抗谐振器4时，则f01和f02同时变化，具体为，当向上拉伸2mm和向下拉伸1mm时，谐振频率f01和谐振频率f02分别变化为5.26GHz和8.85GHz。通过这种频率偏移和拉伸度的对应关系，即可达到实时同步检测上下两个方向应变的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，包括柔性基底(1)、共面波导传输线(2)、第一缝隙阶跃阻抗谐振器(3)和第二缝隙阶跃阻抗谐振器(4)，其中：
所述共面波导传输线(2)、第一缝隙阶跃阻抗谐振器(3)和第二缝隙阶跃阻抗谐振器(4)均设置在所述柔性基底(1)上；
所述共面波导传输线(2)整体外轮廓与所述柔性基底(1)相同，其包括信号传输线(2-1)、第一地线(2-2)和第二地线(2-3)，其中，所述信号传输线(2-1)位于所述柔性基底(1)中部，其两端设置有接头；所述第一地线(2-2)和第二地线(2-3)平行且对称设置在所述信号传输线(2-1)两侧，且所述第一地线(2-2)、第二地线(2-3)与所述信号传输线(2-1)间均设有开槽(2-4)；
所述第一缝隙阶跃阻抗谐振器(3)包括第一方块(3-1)和第二方块(3-2)，所述第一方块(3-1)为所述第一地线(2-2)内的凹槽，所述第二方块(3-2)为所述第一地线(2-2)上连接所述第一方块(3-1)和开槽(2-4)的凹槽；
所述第二缝隙阶跃阻抗谐振器(4)包括第三方块(4-1)和第四方块(4-2)，所述第三方块(4-1)为所述第二地线(2-3)内的凹槽，其与所述第一方块(3-1)大小相同，且与所述第一方块(3-1)相对于所述信号传输线(2-1)对称；所述第四方块(4-2)为所述第二地线(2-3)上连接所述第三方块(4-1)和开槽(2-4)的凹槽，其与所述第二方块(3-2)大小不同。
2.如权利要求1所述的柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，所述柔性基底(1)为聚二甲基硅氧烷薄膜。
3.如权利要求1所述的柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，所述柔性基底(1)厚度为50μm～150μm，进一步优选为80μm～120μm。
4.如权利要求1所述的柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，所述共面波导传输线(2)厚度为20μm～40μm。
5.如权利要求1-4任一项所述的柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，所述信号传输线(2-1)宽度为1mm～3mm，所述第一地线(2-2)和第二地线(2-3)的宽度为5mm～10mm。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1将柔性基底(1)固定在硅片上，采用丝网印刷方法在柔性基底(1)上印刷形成共面波导传输线(2)、第一缝隙阶跃阻抗谐振器(3)和第二缝隙阶跃阻抗谐振器(4)；
S2将印刷后的柔性基底(1)从硅片上剥离，在共面波导传输线(2)中的信号传输线(2-1)两端粘附接头，完成柔性可拉伸应变传感器的制备。
7.如权利要求6所述的柔性可拉伸应变传感器制备方法，其特征在于，所述S1中，将柔性基底(1)固定在硅片上时，采用未固化的聚二甲基硅氧烷与固化剂均匀混合，然后将其旋涂在硅片上并进行固化。
8.如权利要求7所述的柔性可拉伸应变传感器制备方法，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷与固化剂的混合比例为8:1～12:1。
9.如权利要求6所述的柔性可拉伸应变传感器制备方法，其特征在于，所述S1中，采用石墨烯导电浆料在柔性基底(1)上印刷共面波导传输线(2)。
10.如权利要求6所述的柔性可拉伸应变传感器制备方法，其特征在于，所述S1中，完成丝网印刷后，将印刷后的柔性基底(1)在80℃～100℃的温度下进行加热固化。
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