CN111059999A - 一种柔性弯曲传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种柔性弯曲传感器及其制造方法。柔性弯曲传感器包括支撑层、设置在支撑层上表面的柔性基底、从下到上依次设置在柔性基底上的电极层和敏感层、覆盖于敏感层及电极层上表面的保护层；支撑层的硬度大于柔性基底的硬度，利用高压静电纺丝技术将碳纳米材料和聚合物材料质量比为1:10—1:100的混合溶液制备出碳纳米纤维薄膜，作为本柔性弯曲传感器敏感层的材料，使柔性弯曲传感器具有超薄、柔韧性好、可自由弯曲等优点，具有传统刚性传感器难以取代的显著优势，利用超声雾化喷涂技术在碳纳米纤维表面通过原位聚合形成的超薄柔性封装保护膜作为保护层，保证器件的灵活弯曲，还能使传感器具有较高的精度。

Description

一种柔性弯曲传感器及其制造方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种柔性弯曲传感器及其制造方法。
背景技术
目前对于弯曲角度或弯曲曲率的检测，主要有两种方法：一是使用传统的应变传感器检测，这种方式要求传感器与待检测物件牢固粘合，一旦产生滑动，测量结果毫无意义，输出信号微弱，抗干扰能力差，需要采取屏蔽措施；二是采用光学器件，该设备复杂，不具便携性。这两种方法均不能满足穿戴设备、机器人等应用上的弯曲角度或弯曲曲率检测的需求，而且存在价格高、精度低、稳定性差的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的要求弯曲传感器与待测物牢固结合容易滑落、输出信号微弱，抗干扰能力差、设备复杂，不具便携性的问题，提供了一种结构简单、超薄、柔韧性好、可自由弯曲及便于携带等优点的柔性弯曲传感器及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种柔性弯曲传感器，包括支撑层、设置在支撑层上表面的柔性基底、从下到上依次设置在柔性基底上的电极层和敏感层、覆盖于敏感层及电极层上表面的保护层；所述敏感层采用由碳纳米材料和聚合物材料混合溶液制成的碳纳米纤维薄膜材料，碳纳米材料与聚合物材料的质量比为1:10-1:100；所述支撑层的硬度大于所述柔性基底的硬度。
进一步地，所述柔性基底为软性薄膜，其厚度为10μm—1000μm。
进一步地，所述柔性基底的材料采用PET、PI、PDMS、PU、TPU、PC、PMMA及硅橡胶中的一种材料或多种材料混合而成。
进一步地，所述聚合物材料为酚醛树脂、聚丙烯酸树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚二甲基硅氧烷、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺、橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物的一种或多种。
进一步地，所述敏感层的厚度为0.1μm—1000μm。
更进一步地，所述的碳纳米材料为碳管或石墨烯或RGO。
一种柔性弯曲传感器的制造方法，包括以下步骤：
S1、制作电极层，在柔性基底上表面通过压印、刻蚀或印刷的方法制作图案化电极和电极引线；
S2、制作敏感层，将碳纳米材料和聚合物材料混合形成混合溶液，利用静电纺丝技术喷涂在所述电极层的上表面形成碳纳米纤维薄膜作为敏感层；将所述电极层的上表面与所述敏感层的下表面电性连接；
S3、制作保护层，将低浓度的高分子弹性聚合物液体，利用超声雾化喷涂技术在所述敏感层上表面通过原位聚合形成柔性封装保护膜作为保护层；将所述保护层覆盖在所述电极层及所述敏感层的上表面；
S4、将支撑层粘贴在柔性基底的下表面。
进一步地，所述高分子弹性聚合物为粘度0-500cp的液体，其采用PU、TPU、PDMS、硅胶材料的一种或多种。
进一步地，所述保护层的厚度为0.01μm-1000μm。
更进一步地，所述电极层(3)采用超薄铜膜或金膜在所述柔性基底的上表面压印而成或采用金属纳米导电墨水、碳纳米导电墨水及有机导电墨水中的一种在所述柔性基底的上表面刻蚀或印刷而成。
本发明的一种柔性弯曲传感器及其制造方法的有益效果是：
1、将碳纳米材料和聚合物材料混合形成质量比1:10—1:100的混合溶液，利用高压静电纺丝技术将此混合溶液制备出碳纳米纤维薄膜，作为本柔性弯曲传感器敏感层的材料，使柔性弯曲传感器具有超薄、柔韧性好、可自由弯曲等优点，具有传统刚性传感器难以取代的显著优势，其原理简单、使用方便，极大地拓展了传感器的应用场景。
2、利用超声雾化喷涂技术在碳纳米纤维表面通过原位聚合形成的超薄柔性封装保护膜，在保证器件灵活的弯曲角度传感需求的同时，还能使传感器具有较高的精度。
3、本发明的柔性弯曲传感器可以以薄膜贴的方片式使用，且其弯曲测量结果不受拉伸变形的影响，进一步提高弯曲传感器的精度。克服了现有技术中存在的弯曲传感器要求传感器与待检测物件牢固粘合、设备复杂及不便携带的缺陷。
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是本柔性弯曲传感器的部分剖面图；
图2是本发明实施例的柔性弯曲传感器的制造步骤图。
图中:1、支撑层，2、柔性基底，3、电极层，4、敏感层，5、保护层。
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所示，本发明的一种柔性弯曲传感器的具体实施例，包括支撑层1、设置在支撑层1上表面的柔性基底2、从下到上依次设置在柔性基底2上的电极层3和敏感层4、覆盖于敏感层4及电极层3上表面的保护层5；柔性基底2为全透明或半透明或不透明的软性薄膜，其厚度为10μm—1000μm，其材料采用PET、PI、PDMS、PU、TPU、PC、PMMA及硅橡胶的一种或多种。其支撑层1的硬度大于柔性基底2的硬度。
本发明实施例中，电极层3在柔性基底2上表面通过压印、刻蚀或印刷的方法制作图案化电极和电极引线。敏感层4采用由碳纳米材料和聚合物材料混合溶液制成的碳纳米纤维薄膜材料，碳纳米材料与聚合物材料的质量比为1:10-1:100，利用静电纺丝技术或碳纳米球磨分散技术制备出碳纳米纤维薄膜，使得碳纳米纤维薄膜的厚度可控，其厚度在0.1μm—1000μm之间，可以根据需求选择。使用碳纳米纤维薄膜材料做敏感层4的使用使柔性弯曲传感器具有超薄、柔韧性好、可自由弯曲等优点，碳纳米材料可以为碳管或石墨烯或RGO，聚合物材料为酚醛树脂、聚丙烯酸树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚二甲基硅氧烷、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺、橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种材料或多种多种材料的混合，电极层3的上表面与敏感层4的下表面电性连接。本发明实施例中，保护层5覆盖于电极层3及敏感层4的上表面，保护层5的覆盖区域大于敏感层4的区域。
如图1-图2所示的本发明的一种柔性弯曲传感器的具体实施例，包括如下步骤：
S1、制作电极层3，将超薄铜膜或金膜在柔性基底2的上表面压印而成或将金属纳米导电墨水、碳纳米导电墨水及有机导电墨水中的一种在所述柔性基底的上表面刻蚀或印刷而成的图案化电极和电极引线；
S2、制作敏感层4，将碳纳米材料和聚合物材料混合形成混合溶液，利用静电纺丝技术或纳米球磨分散技术配置在电极层3的上表面形成碳纳米纤维薄膜作为敏感层4；将电极层3的上表面与敏感层4的下表面电性连接；
S3、制作保护层5，将低浓度高分子弹性聚合物液体，利用超声雾化喷涂技术在敏感层4上表面通过原位聚合形成柔性封装保护膜作为保护层5；将保护层5覆盖在电极层3及敏感层4的上表面，保护层5的覆盖区域大于敏感层4的区域；
S4、将支撑层1粘贴在柔性基底2的下表面。
本发明实施例中，高分子弹性聚合物为粘度0-500cp的液体，采用PU、TPU、PDMS、硅胶中的一种材料或多种材料混合而成，保护层5的厚度为0.01μm-1000μm。
如图1-图2所示的柔性弯曲传感器的具体实施例，可将柔性弯曲传感器固定在被测曲面上，当被测曲面向一侧弯曲时，设置弯曲传感器输出电阻减小，当向另一侧弯曲时，设置弯曲传感器输出电阻增大，将曲面信息采集并输出电阻信号，经过电路处理转换为模拟电信号，在经过模数转换成弯曲方向的数字信号，利用此种转换方法可最终输出弯曲角度、弯曲曲率及弯曲方向的数字信号。从而实现对被测面弯曲角度、弯曲曲率及弯曲方向的检测。
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)

1.一种柔性弯曲传感器，其特征在于：包括支撑层(1)、设置在支撑层(1)上表面的柔性基底(2)、从下到上依次设置在柔性基底(2)上的电极层(3)和敏感层(4)、覆盖于敏感层(4)及电极层(3)上表面的保护层(5)；所述敏感层(4)采用由碳纳米材料和聚合物材料混合溶液制成的碳纳米纤维薄膜材料，碳纳米材料与聚合物材料的质量比为1:10-1:100；所述支撑层(1)的硬度大于所述柔性基底(2)的硬度。
2.根据权利要求1所述的一种柔性弯曲传感器，其特征在于：所述柔性基底(2)为软性薄膜，其厚度为10μm—1000μm。
3.根据权利要求2所述的一种柔性弯曲传感器，其特征在于：所述柔性基底(2)的材料采用PET、PI、PDMS、PU、TPU、PC、PMMA及硅橡胶中的一种材料或多种材料混合而成。
4.根据权利要求1所述的一种柔性弯曲传感器，其特征在于：所述聚合物材料为酚醛树脂、聚丙烯酸树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚二甲基硅氧烷、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺、橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种或多种混合而成。
5.根据权利要求1所述的一种柔性弯曲传感器，其特征在于：所述敏感层(4)的厚度为0.1μm—1000μm。
6.根据权利要求1所述的一种柔性弯曲传感器，其特征在于：所述的碳纳米材料为碳管或石墨烯或RGO。
7.一种柔性弯曲传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制作电极层(3)，在柔性基底(2)上表面通过压印、刻蚀或印刷的方法制作图案化电极和电极引线；
S2、制作敏感层(4)，将碳纳米材料和聚合物材料混合形成混合溶液，利用静电纺丝技术喷涂在所述电极层(3)的上表面形成碳纳米纤维薄膜作为敏感层(4)；将所述电极层(3)的上表面与所述敏感层(4)的下表面电性连接；
S3、制作保护层(5)，将低浓度的高分子弹性聚合物液体，利用超声雾化喷涂技术在所述敏感层(4)上表面通过原位聚合形成柔性封装保护膜作为保护层(5)；将所述保护层(5)覆盖在所述电极层(3)及所述敏感层(4)的上表面；
S4、将支撑层粘贴在柔性基底的下表面。
8.根据权利要求7所述的一种柔性弯曲传感器的制造方法，其特征在于：所述高分子弹性聚合物为粘度0-500cp的液体，其采用PU、TPU、PDMS、硅胶材料的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的一种柔性弯曲传感器的制造方法，其特征在于：所述保护层(5)的厚度为0.01μm-1000μm。
10.根据权利要求7所述的一种柔性弯曲传感器的制造方法，其特征在于：所述电极层(3)采用超薄铜膜或金膜在所述柔性基底的上表面压印而成或其采用金属纳米导电墨水、碳纳米导电墨水及有机导电墨水中的一种在所述柔性基底的上表面刻蚀或印刷而成。
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