CN110966913B - 基于液态金属的柔性大应变传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属的柔性大应变传感器及其制备方法，包括底层衬底，底层衬底内部设有微流体通道，微流体通道为相交于一点的多方向通道，底层衬底上设有顶层衬底，微流体通道中填充有液态金属柱，所有液态金属柱并联于电源两端，电路中连接有测量液态金属柱电流的电流表，同方向液态金属柱两个延伸段的液态金属电阻的阻值相等。本发明的传感器输出稳定，耐久性好，测量范围大，对低温环境具有较好适应性，能够进行多方向的拉伸检测，解决了现有技术中存在的问题。

Description

基于液态金属的柔性大应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于柔性电子技术领域，涉及一种基于液态金属的柔性大应变传感器及其制备方法。

背景技术

柔性应变传感器主要是通过导电功能材料和弹性体材料复合而成，导电功能材料是决定应变传感器性能的关键，目前现有的柔性应变传感器常用的导电功能材料主要是纳米粒子、纳米线、碳纳米管、石墨烯等固态导电材料。

例如，发明专利“一种基于碳纳米管的柔性应变传感器及其制备方法”（申请号：201811595679.8）公开了一种基于碳纳米管的柔性应变传感器，该传感器利用三棱柱状的多壁碳纳米管环氧树脂复合层和置于其间的多壁碳纳米管层共同作用，具有较高的应变灵敏度和较宽的测量范围。然而该应变传感器在拉伸应变时，由于弹性体基底材料与固态的应变材料弹性模量的不匹配，导致传感器在拉伸到某一应变后保持不变时，输出存在回落现象，如图1所示，严重影响其静态性能。

又如，发明专利“一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器及其制备方法”（申请号：201811595680.0）公开了一种以石墨烯纳米银为导电骨架，聚二甲基硅氧烷为基底的柔性应变传感器，通过在石墨烯纳米片的表面生成银纳米颗粒，提高应变传感器的灵敏度。但纳米粒子或纳米线的交叉密度会直接影响传感器的灵敏度和电阻分辨率。纳米粒子或纳米线交叉密集时，传感器可以实现较大的拉伸极限，但是其灵敏度、分辨率会随之降低；反之，传感器能实现较大的灵敏度和分辨率，但拉伸极限会降低。这种传感器很难同时得到较大的拉伸极限、灵敏度和分辨率。

目前现有的柔性应变传感器常用的液体导电材料主要是液态金属及离子液体，由于低毒性、可变形性、高导电性、大表面张力等特点，液态金属成为制作柔性应变传感器的优选材料。

例如，发明专利“基于液态金属的高灵敏度拉力传感器及其制造方法”（申请号：CN201910158982.X）公开了一种基于液态金属的高灵敏度拉力传感器，该传感器通过分层结构来实现惠斯通多臂电桥，提高了拉力检测的灵敏度且能补偿温度。然而由于液态金属的熔点问题，该传感器不具有低温环境适应性，且不能进行多方向拉伸检测。

综上所述，已报道的基于固态导电材料的柔性应变传感器存在如下缺点：（1）传感器在拉伸到某一应变后保持不变，传感器输出存在回落现象；（2）传感器在多次重复拉伸后，应变特性产生漂移，严重影响传感器的稳定性和耐久性；（3）传感器应变测量范围受限于固态应变材料组成的导电通路的拉伸极限，导致传感器测量范围较小。

已报道的基于液态金属的柔性应变传感器存在如下缺点：（1）传感器不具有低温环境适应性，在低于液态金属熔点的环境中无法准确进行拉力检测；（2）传感器只能进行单一方向的拉伸检测，无法进行多方向的拉伸检测。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于液态金属的柔性大应变传感器，输出稳定，耐久性好，测量范围大，对低温环境具有较好适应性，能够进行多方向的拉伸检测，解决了现有技术中存在的问题。

发明的另一目的是，提供一种基于液态金属的柔性大应变传感器的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于液态金属的柔性大应变传感器，包括底层衬底，底层衬底内部设有微流体通道，微流体通道为相交于一点的多方向通道，底层衬底上设有顶层衬底，微流体通道中填充有液态金属柱，所有液态金属柱并联于电源两端，电路中连接有用于测量液态金属柱电流的电流表，同方向液态金属柱两个延伸段的液态金属电阻的阻值相等。

进一步的，所述微流体通道为十字形、“*”形或“米”字形中的任意一种。

进一步的，所述微流体通道每个延伸段的形状相同，为直线型、S形或方形中的任意一种。

进一步的，所述液态金属柱同方向的两端通过对应的电极相连接后与电源一端连接，液态金属柱的交叉中心通过电极与电源另一端连接，多个同方向液态金属柱的并联支路上分别连接有电流表，电源电路上连接有开关，电极通过高分子聚合材料与底层衬底固定连接并密封微流体通道。

进一步的，所述液态金属柱采用镓铟锡合金。

进一步的，所述底层衬底与顶层衬底材质一致，选用高分子聚合物制得。

一种基于液态金属的柔性大应变传感器的制备方法，具体按照以下步骤进行：

S1，通过3D打印蜡模模具，蜡模模具包括型腔和型芯，型芯为与微流体通道形状相对应的实心通道，固定于型腔中心，微流体通道同方向两个延伸段的形状、尺寸相同；

S2，将高分子聚合物材料填充至型腔中，在40-50℃下固化16小时之后，熔化蜡模模具得到底层衬底和微流体通道；

S3，将底层衬底贴合于半固化的高分子聚合物材料，放入高温干燥箱内进行固化以粘合底层衬底与顶层衬底；

S4，在底层衬底上打孔，连通微流体通道，在孔口放置适量液态金属，将整个器件放入真空干燥箱中，将液态金属真空填充至微流体通道中形成液态金属柱；

S5，在液态金属柱需要连接电路处对应的顶层衬底和底层衬底上打孔，将电极插入对应的开孔处，分别与液态金属柱连接，在开孔处分别滴入高分子聚合物材料将电极与底层衬底固定连接，并密封微流体通道；

S6，液态金属柱同方向的两端通过对应的电极相连接后与电源一端连接，液态金属柱的交叉中心通过电极与电源另一端连接，多个同方向液态金属柱的并联支路上分别连接有电流表，电源电路上连接有开关。

进一步的，所述高分子聚合物材料为PDMS，所述步骤S3中半固化的高分子聚合物材料是在70-80℃下固化0.1小时得到的。

本发明的有益效果是，具有以下优点：

（1）本发明利用平行于微流体通道拉伸较垂直于微流体通道拉伸应变更灵敏的特性设计微流体通道结构，可以精确检测多个方向的拉伸应变。

（2）本发明的敏感材料采用液态金属，无模量的液态金属可以消除导电材料和弹性体材料的模量不匹配的问题，传感器输出稳定，增大测量范围，实现大应变测量；液态金属具有流动性，处于微流体通道中的液态金属柱在拉伸或挤压时，其导电介质可以流动变形，从而不会出现断裂等失效情形，依旧能够保持其导电性能，耐久性好。

（3）本发明传感器在制作过程中采用将固化的底层衬底与半固化的顶层衬底粘合的方式，这种粘合方式不仅不会损坏通道结构，还能将两个衬底完全粘合，具有高一致性、制作工艺简单的特点。

（4）本发明通过电路对电阻进行测量的同时，还利用了电流的热效应对液态金属进行加热，使其在低于熔点的环境下仍能保持液态，对低温环境具有较好适应性，扩大了传感器能够正常工作的温度范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术基于碳纳米管的柔性应变传感器的电阻变化特性。

图2是本发明实施例的传感器结构示意图。

图3是本发明实施例的制备工艺流程图。

图4是本发明实施例的传感器机理图。

图5是本发明实施例中用于测量拉伸应变的电路图。

图6是本发明实施例中传感器实现多方向拉伸的机理。

图7是微流体通道具有多通道时测量拉伸应变的电路图。

图中，1.底层衬底，2.微流体通道，3.液态金属柱，4.顶层衬底，5.电极，6.第一电流表，7.第二电流表，8.电源，9.开关，10.蜡模模具。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的思路：液态金属是一种新型的导电材料，具有高导电性、高表面张力、低熔点和无毒性，将液态金属填充于微流体通道中，制备出基于液态金属的柔性大应变传感器。这种传感器在受到拉力时，弹性体材料发生形变，微流体通道变化，从而液态金属流动，由某种材料制成的柱形均匀导体，其电阻与导体长度成正比，与导体的横截面积成反比，即液态金属的长度和横截面积会发生变化，引起传感器电阻的变化，本发明根据这一原理实现对应变的测量。平行于微流体通道拉伸较垂直于微流体通道拉伸应变更大，本发明基于这一性质设计微流体通道结构以实现多方向的拉伸检测。此外，本发明还利用可控电流源或可控电压源控制流经液态金属的电流，由于电流热效应的存在，使液态金属在低于其熔点的环境下仍能保持液态，保证了传感器在低温下工作的可靠性。

实施例1，

本发明实施例基于液态金属的柔性大应变传感器的结构，如图2所示，包括底层衬底1，底层衬底1内部设有十字形的微流体通道2，底层衬底1上设有顶层衬底4，微流体通道2中填充有液态金属柱3，液态金属柱3水平方向的两端通过对应的电极5相连接后与电源8负极连接，液态金属柱3竖直方向的两端通过对应的电极5相连接后与电源8负极连接，电极5通过高分子聚合材料与底层衬底1固定连接并密封微流体通道2，液态金属柱3水平方向的并联支路上连接有第一电流表6，液态金属柱3竖直方向的并联支路上连接有第二电流表7，液态金属柱3的交叉中心通过电极5连接于电源8的正极，电源电路上连接有开关9，液态金属柱3同方向上的两个延伸段的液态金属电阻的阻值相等。

微流体通道2位于底层衬底1内部以便封装液态金属，微流体通道2的四个延伸段的形状相同，包括并不限于直线型、S形或方形等，微流体通道2的形状和大小根据实际需求而定；本发明实施例中的微流体通道采用S形结构，拉伸传感器时可实现微流体通道的多个平行通道的同时拉伸，增加输出电阻的变化，实现超大应变测量，提高多方向拉伸检测精度。

液态金属柱3采用镓铟锡合金，包括但不限于镓基合金、铷基合金、铯基合金、钫基合金、汞基等。

底层衬底1与顶层衬底4材质一致，选用高分子聚合物制得，包括但不限于高分子聚合物，如PDMS、PET、EcoFlex、PMMA、硅橡胶等。

本发明实施例1基于液态金属的柔性大应变传感器的制备方法，如图3所示，先将底层衬底1和顶层衬底4粘合，防止损坏微流体通道2，再将液态金属填充于微流体通道2中，并接入电路，具体按照以下步骤进行：

S1，通过3D打印蜡模模具10，蜡模模具10包括型腔和型芯，型芯为与微流体通道2形状相对应的实心通道，型芯固定于型腔中心，微流体通道2同方向两个延伸段的形状、尺寸相同，用于保证液态金属柱3同方向上的两个延伸段的液态金属电阻的阻值相等；

S2，将高分子聚合物材料填充至型腔中，在40-50℃下固化16小时之后，熔化蜡模模具10得到底层衬底1和微流体通道2；

S3，将底层衬底1贴合于半固化的高分子聚合物材料，放入高温干燥箱内进行固化以粘合底层衬底1与顶层衬底4；其中半固化的高分子聚合物材料是在70-80℃下固化0.1小时得到的；

S4，在底层衬底1上打孔，连通微流体通道2，在孔口放置适量液态金属，将整个器件放入6.5kPa的真空干燥箱中，将液态金属真空填充至微流体通道2中形成液态金属柱3；

S5，在液态金属柱3需要连接电路处对应的顶层衬底4和底层衬底1上打孔，将电极5插入对应的开孔处，分别与液态金属柱3连接，在开孔处分别滴入高分子聚合物材料将电极5与底层衬底1固定连接，并密封微流体通道2；

S6，液态金属柱3水平方向的两端通过对应的电极5相连接后与电源8负极连接，液态金属柱3竖直方向的两端通过对应的电极5相连接后与电源8负极连接，电极5通过高分子聚合材料与底层衬底1固定连接并密封微流体通道2，液态金属柱3水平方向的并联支路上连接有第一电流表6，液态金属柱3竖直方向的并联支路上连接有第二电流表7，液态金属柱3的交叉中心通过电极5连接于电源8的正极，电源电路上连接有开关9，得到基于液态金属的柔性大应变传感器，传感器的形状根据需要制作。

本发明实施例中高分子聚合物材料可以选择PDMS（即聚二甲基硅氧烷），PDMS是由预聚物乙烯基甲基聚硅氧烷与交联剂含氢聚硅氧烷组成，通过硅氢加成反应在60-80℃交联固化2-3小时，制得固化比为10:1的聚二甲基硅氧烷；过短的时间会导致交联效果较差，过长时间对最终效果影响不明显；选择PDMS作为高分子聚合物是由于PDMS具有很好的柔性与生物兼容性。

本发明实施例中基于液态金属的柔性大应变传感器的机理，如图4所示，当一个拉力加载于传感器两端，发生应变后，传感器中的微流体通道2沿着拉力的方向被拉伸。由于拉力的作用，微流体通道2的长度和横截面积发生变化，液态金属柱3流动，即液态金属柱3的长度和横截面积变化，会引起输出电阻的变化。

本发明实施例中用于测量的电路既能准确测量液态金属电阻，根据电阻变化的不同实现拉伸方向检测，微流体通道2设置为十字形的可以进行水平、竖直双向拉伸检测；同时又能控制流经液态金属的电流，利用电流的热效应，使液态金属在低温下（低于其熔点的环境）仍能保持液态，保证了传感器在低温下工作的可靠性；用于控制流经液态金属的电流，包括但不限于可控电流源、可控电压源等。

本发明实施例中电路的原理图，如图5所示，液态金属柱3水平方向上两个延伸段的液态金属分别为第一液态金属电阻R1与第二液态金属电阻R2，液态金属柱3竖直方向上两个延伸段的液态金属分别为第三液态金属电阻R3与第四液态金属电阻R4，液态金属电阻R1-R4的一端通过十字形结构连接，第一液态金属电阻R1、第二液态金属电阻R2的另一端通过对应的电极5相连接后与电源8负极连接，第三液态金属电阻R3、第四液态金属电阻R4的另一端通过对应的电极5相连接后与电源8负极连接，第一液态金属电阻R1、第二液态金属电阻R2组成的并联支路上连接有第一电流表6，第三液态金属电阻R3与第四液态金属电阻R4组成的并联支路上连接有第二电流表7，液态金属柱3的交叉中心通过电极5连接于电源8的正极，电源电路上连接有开关9；由于第一液态金属电阻R1与第二液态金属电阻R2阻值相等，第三液态金属电阻R3与第四液态金属电阻R4阻值相等，可通过第一电流表6和第二电流表7测得流经液态金属电阻R1-R4的电流，电源8两端的电压已知，从而确定液态金属电阻R1-R4两端电压，因此，可以通过第一电流表6、第二电流表7、电源8的读数计算液态金属电阻R1-R4的电阻，实现拉力应变检测；同时通过可控电流源或可控电压源控制流经液态金属的电流，利用电流的热效应，保证传感器的低温环境适应性，且调节电压、电流不会影响液态金属电阻R1-R4的电阻测量结果。

本发明实施例基于液态金属的柔性大应变传感器实现多方向拉伸的机理，如图6所示，当平行于微流体通道2拉伸时，液态金属柱3的长度和横截面积变化较垂直于微流体通道2拉伸时的变化更为灵敏，根据电阻变化的不同实现拉伸方向的检测。当横向拉伸（即平行于电阻R1与R2所在的直线方向）传感器时，由于液态金属电阻R3与R4平行于拉伸方向的部分更多，液态金属电阻R3与R4电阻变化较R1与R2更大，同理，当纵向拉伸传感器时，液态金属电阻R1与R2电阻变化较R3与R4更大。

实施例2，

本发明实施例基于液态金属的柔性大应变传感器的结构，微流体通道2填充液态金属以检测不同方向拉伸，微流体通道2为“*”形可进行三向拉伸检测，微流体通道2设置为“米”字形可进行四向拉伸检测，总之，微流体通道2设置为相交于一点的多通道，即可进行多向的拉伸检测，可以根据实际需求来选择检测拉伸的方向，并不影响测量效果；多方向的微流体通道2布置在一层，能够减小传感器厚度，满足小空间安装。

微流体通道2为“*”形、“米”字形时，同方向的两个电阻并联后，不同方向的并联电阻之间的连接关系是并联关系，电路图如图7所示，液态金属电阻R1和液态金属电阻R2的并联电路、液态金属电阻R3液态金属电阻R4的并联电路、液态金属电阻R5和液态金属电阻R6的并联电路……液态金属电阻R（2n-1）和液态金属电阻R（2n）的并联电路相互并联，多个同方向的并联支路上分别连接有电流表A1、A2、A3……An，并联之后一端与电源电路正极连接，另一端连接电源电路负极；每个液态金属电阻的电压均为电源电压，根据每个液态金属电阻两端的电压、流经该电阻的电流能够准确计算该液态金属电阻的阻值。本发明实施例中的微流体通道2的多通道位于同一平面，且交汇于一点，理论上，微流体通道2的多通道也可以位于不同平面且交汇于一点，各液态金属电阻的电路连接相同，以测量更多方向的应变。

本发明利用传感器拉伸后液态金属流动使得液态金属柱3的长度和横截面积变化引起传感器电阻变化和平行与垂直于微流体通道2拉伸电阻响应不同的特性，以及电流的热效应，制备的基于液态金属的柔性大应变传感器能够检测竖直、水平方向及多方向的拉伸检测，测量小于等于其自身20%的应变，实现超大应变的测量，具有低温环境适应性，具有较高的灵敏度、柔性，良好的重复性，良好的稳定性，并且制备过程中液态金属流动性较强、不会破碎、制作工艺简单。惠斯通多臂电桥是利用已知的电阻来测量未知电阻，需要有已知的电阻，不能兼顾准确测量未知电阻的同时提高传感器低温环境适应性技术效果；本发明不依赖已知电阻即可完成未知的液态金属电阻，适用性更强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于液态金属的柔性大应变传感器，其特征在于，包括底层衬底(1)，底层衬底(1)内部设有微流体通道(2)，微流体通道(2)为相交于一点的多方向通道，底层衬底(1)上设有顶层衬底(4)，微流体通道(2)中填充有液态金属柱(3)，所有液态金属柱(3)并联于电源(8)两端，电路中连接有用于测量液态金属柱(3)电流的电流表，同方向液态金属柱(3)的两个延伸段的液态金属电阻的阻值相等；

所述液态金属柱(3)同方向的两端通过对应的电极(5)相连接后与电源(8)一端连接，液态金属柱(3)的交叉中心通过电极(5)与电源(8)另一端连接，多个同方向液态金属柱(3)的并联支路上分别连接有电流表，电源电路上连接有开关(9)，电极(5)通过高分子聚合材料与底层衬底(1)固定连接并密封微流体通道(2)。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的柔性大应变传感器，其特征在于，所述微流体通道(2)为十字形、“*”形或“米”字形中的任意一种。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于液态金属的柔性大应变传感器，其特征在于，所述微流体通道(2)每个延伸段的形状相同，为直线型、S形或方形中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的柔性大应变传感器，其特征在于，所述液态金属柱(3)采用镓铟锡合金。

5.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的柔性大应变传感器，其特征在于，所述底层衬底(1)与顶层衬底(4)材质一致，选用高分子聚合物制得。

6.一种基于液态金属的柔性大应变传感器的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

S1，通过3D打印蜡模模具(10)，蜡模模具(10)包括型腔和型芯，型芯为与微流体通道(2)形状相对应的实心通道，固定于型腔中心，微流体通道(2)同方向两个延伸段的形状、尺寸相同；

S2，将高分子聚合物材料填充至型腔中，在40-50℃下固化16小时之后，熔化蜡模模具(10)得到底层衬底(1)和微流体通道(2)；

S3，将底层衬底(1)贴合于半固化的高分子聚合物材料，放入高温干燥箱内进行固化以粘合底层衬底(1)与顶层衬底(4)；

S4，在底层衬底(1)上打孔，连通微流体通道(2)，在孔口放置适量液态金属，将整个器件放入真空干燥箱中，将液态金属真空填充至微流体通道(2)中形成液态金属柱(3)；

S5，在液态金属柱(3)需要连接电路处对应的顶层衬底(4)和底层衬底(1)上打孔，将电极(5)插入对应的开孔处，分别与液态金属柱(3)连接，在开孔处分别滴入高分子聚合物材料将电极(5)与底层衬底(1)固定连接，并密封微流体通道(2)；

S6，液态金属柱(3)同方向的两端通过对应的电极(5)相连接后与电源(8)一端连接，液态金属柱(3)的交叉中心通过电极(5)与电源(8)另一端连接，多个同方向液态金属柱(3)的并联支路上分别连接有电流表，电源电路上连接有开关(9)。

7.根据权利要求6所述的一种基于液态金属的柔性大应变传感器的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物材料为PDMS，所述步骤S3中半固化的高分子聚合物材料是在70-80℃下固化0.1小时得到的。

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