CN111141423B - 一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器及制备方法 - Google Patents

一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器，所述应力传感器为在工作时可承受形变的片形结构，包括以可延展的柔性衬底连接并固定的应力传感件A和应力传感件B；所述应力传感件A的灵敏度大于应力传感件B，可耐受形变量小于应力传感件B；所述应力传感件A和应力传感件B电性连接；所述应力传感件B的可耐受形变量接近于或等于柔性衬底的可耐受形变量；所述应力传感件B位于应力传感器工作时柔性衬底形变量大的部位；本发明可以同时调控柔性传感器的灵敏度和可延展性。

Description

一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器及制备方法。
背景技术
柔性电子由于其在健康医疗和表皮电子等领域的广阔应用前景吸引了全世界的关注。不同的可延展器件如显示器、集成电路、能量转换单元、传感系统得到了大力发展，作为最重要和最典型的器件，应力传感器在许多方面更是取得了重大突破。应力传感器的材料来源广，制备简单，灵敏度高且容易集成。目前应力传感器的灵敏度已经超过5000，可延展性也超过了900%。
一方面采用各种新型纳米材料来提高其灵敏度，另一方面可以在材料表面引入裂纹来提高灵敏度。而对于可延展性而言，各种微结构如褶皱、U型、网状等引入到导电表面来提高可延展性。然而，在制备应力传感器的时候，很难同时兼顾灵敏度和可延展性。灵敏度高的应力传感器一般不能承受大的应变，而可延展性高的应力传感器其灵敏度很低。
为了解决灵敏度和可延展性的兼容问题，实现高灵敏度高可延展性的应力传感器，我们发明了一种可以同时调控传感器灵敏度和可延展性的应力传感器及制备方法。该方法是基于拉伸情况下可延展柔性衬底的应力分布，衬底两端的应变大，中间区域的应变小。所以将高灵敏度的应力传感器置于中间区域，将高可延展性的应力传感器置于两端，充分应用两种器件的优势。该方法简单易行，几乎不受材料和结构的限制，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明提出一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器及制备方法，可以同时调控柔性传感器的灵敏度和可延展性。
本发明采用以下技术方案。
一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器，所述应力传感器为在工作时可承受形变的片形结构，包括以可延展的柔性衬底（1）连接并固定的应力传感件A（3）和应力传感件B（2）；所述应力传感件A的灵敏度大于应力传感件B，可耐受形变量小于应力传感件B；所述应力传感件A和应力传感件B电性连接；所述应力传感件B的可耐受形变量接近于或等于柔性衬底的可耐受形变量；所述应力传感件B位于应力传感器工作时柔性衬底形变量大的部位。
当应力传感器为用于拉伸应力测试的应力传感器时，所述片形结构呈矩形，所述应力传感件A位于片形结构的中部，所述应力传感件B位于片形结构的边沿部。
所述应力传感件A和应力传感件B以含导电纳米颗粒的粘合剂固定于柔性衬底的同一面；所述片形结构边沿处设有应力传感器的引线（5）。
所述柔性衬底以含导电纳米颗粒的粘合剂形成应力传感件A和应力传感件B之间的电性连接（4）。
所述应力传感件B感应面的敏感材料包括褶皱碳材料、褶皱金属或褶皱有机电极；所述褶皱碳材料为褶皱石墨烯或褶皱碳纳米管；所述褶皱金属包括但不限于褶皱金或褶皱银；所述褶皱有机电极包括但不限于PEDOT:PSS；
所述应力传感件A感应面的敏感材料包括但不限于平面碳材料、导电金属、导电合金或有机电极；
所述导电纳米颗粒为金属纳米材料，所述金属纳米材料包括但不限于纳米金或纳米银；
所述柔性衬底的村料为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂或氟硅树脂其中的一种或几种。
所述柔性衬底的可延展性在0～1000%之间，其厚度在0.1mm~1mm之间。
所述应力传感件B可承受的应变在0～1000%，应力传感件A的灵敏度在1～10000之间。
当应力传感器为用于弯曲应力测试的应力传感器时，所述片形结构呈长矩形，所述应力传感件B位于片形结构的中部，所述应力传感件A位于片形结构的长边两端部。
一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器的制备方法，以上所述的应力传感器，其制备方法为：
步骤A1、预拉伸柔性衬底，以转印工艺把平面石墨烯转印至柔性衬底两侧端部；
步骤A2、使柔性衬底回缩复位，使柔性衬底两端部的平面石墨烯形成褶皱石墨烯，褶皱石墨烯成型为应力传感件B感应面的敏感材料；
步骤A3、以转印工艺把平面石墨烯转印至柔性衬底的中间位置，成型为应力传感件A感应面的敏感材料，并使应力传感件A感应面与应力传感件B感应面连接；
步骤A4、把含纳米金颗粒的粘合剂通过滴涂方法掺杂于应力传感件A感应面与应力传感件B感应面的连接位置处，并在柔性衬底两侧端部的应力传感件B感应面处引出引线；
步骤A5、把柔性衬底、应力传感件A、应力传感件B和引线以可延展柔性薄膜封装。
所述可延展柔性薄膜的材料为Ecoflex。
本发明所述方法是基于拉伸情况下可延展柔性衬底的应力分布来设计的，衬底两端的应力变化大，中间区域的应力变化小。所以将高灵敏度的应力传感器置于中间区域，将高可延展性的应力传感器置于两端，充分应用两种器件的优势，能解决现有传感器灵敏度和可延展性不可兼得的问题，制备简单，易于推广，几乎不受材料和结构的限制，具有广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的示意图；
附图2是本发明的制备过程示意图；
附图3是本发明所述应力传感器受到拉伸时的应变分布图；
附图4是本发明所述应力传感器在拉伸过程中，应变量变化时的工作原理示意图；
附图5是本发明的应力传感件B位于片形结构的中部且应力传感件A位于片形结构的长边两端部时的示意图；
图中：1-柔性衬底；2-应力传感件B；3-应力传感件A；4-电性连接；5-引线。
具体实施方式
如图1-5所示，一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器，所述应力传感器为在工作时可承受形变的片形结构，包括以可延展的柔性衬底1连接并固定的应力传感件A3和应力传感件B2；所述应力传感件A的灵敏度大于应力传感件B，可耐受形变量小于应力传感件B；所述应力传感件A和应力传感件B电性连接；所述应力传感件B的可耐受形变量接近于或等于柔性衬底的可耐受形变量；所述应力传感件B位于应力传感器工作时柔性衬底形变量大的部位。
当应力传感器为用于拉伸应力测试的应力传感器时，所述片形结构呈矩形，所述应力传感件A位于片形结构的中部，所述应力传感件B位于片形结构的边沿部。
所述应力传感件A和应力传感件B以含导电纳米颗粒的粘合剂固定于柔性衬底的同一面；所述片形结构边沿处设有应力传感器的引线5。
所述柔性衬底以含导电纳米颗粒的粘合剂形成应力传感件A和应力传感件B之间的电性连接4。
所述应力传感件B感应面的敏感材料包括褶皱碳材料、褶皱金属或褶皱有机电极；所述褶皱碳材料为褶皱石墨烯或褶皱碳纳米管；所述褶皱金属包括但不限于褶皱金或褶皱银；所述褶皱有机电极包括但不限于PEDOT:PSS；
所述应力传感件A感应面的敏感材料包括但不限于平面碳材料、导电金属、导电合金或有机电极；
所述导电纳米颗粒为金属纳米材料，所述金属纳米材料包括但不限于纳米金或纳米银；
所述柔性衬底的村料为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂或氟硅树脂其中的一种或几种。
所述柔性衬底的可延展性在0～1000%之间，其厚度在0.1mm~1mm之间。
所述应力传感件B可承受的应变在0～1000%，应力传感件A的灵敏度在1～10000之间。
当应力传感器为用于弯曲应力测试的应力传感器时，所述片形结构呈长矩形，所述应力传感件B位于片形结构的中部，所述应力传感件A位于片形结构的长边两端部。
一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器的制备方法，以上所述的应力传感器，其制备方法为：
步骤A1、预拉伸柔性衬底，以转印工艺把平面石墨烯转印至柔性衬底两侧端部；
步骤A2、使柔性衬底回缩复位，使柔性衬底两端部的平面石墨烯形成褶皱石墨烯，褶皱石墨烯成型为应力传感件B感应面的敏感材料；
步骤A3、以转印工艺把平面石墨烯转印至柔性衬底的中间位置，成型为应力传感件A感应面的敏感材料，并使应力传感件A感应面与应力传感件B感应面连接；
步骤A4、把含纳米金颗粒的粘合剂通过滴涂方法掺杂于应力传感件A感应面与应力传感件B感应面的连接位置处，并在柔性衬底两侧端部的应力传感件B感应面处引出引线；
步骤A5、把柔性衬底、应力传感件A、应力传感件B和引线以可延展柔性薄膜封装。
所述可延展柔性薄膜的材料为Ecoflex。
实施例1：
本例中的应力传感器用于拉伸应力测试，所述应力传感件A位于片形结构的中部，所述应力传感件B位于片形结构的边沿部。
如图3所示该传感器在拉伸情况下可延展的柔性衬底的应变分布图，整个应变传感器的长度为3厘米，以最左边为原点，可以发现在受到拉伸时，传感器中间的应变大，两端的应变分布小
在应力传感器小应变下，应力传感件A承受非常小的应变，应力传感件B承受小应变，灵敏度主要由应力传感件A提供。
继续拉伸使应力传感器产生大应变后，应力传感件A承受较小应变，应力传感件B承受主要的大应变，应力传感件B提供可延展性，应力传感件A提供灵敏度，整个器件具有高灵敏度和可延展性。
实施例2：
本例中的应力传感器用于弯曲应力测试，所述片形结构呈长矩形，所述应力传感件B位于片形结构的中部，所述应力传感件A位于片形结构的长边两端部。
弯曲应力测试时，应力传感器在弯曲情况下，中间部分承受的应变大，两端部分承受的应变小，所以该分布结构同样可以提供高灵敏度高可延展性应力传感器。

Claims (6)

1.一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器，其特征在于：所述应力传感器为在工作时可承受形变的片形结构，包括以可延展的柔性衬底（1）连接并固定的应力传感件A（3）和应力传感件B（2）；所述应力传感件A的灵敏度大于应力传感件B，可耐受形变量小于应力传感件B；所述应力传感件A和应力传感件B电性连接；所述应力传感件B的可耐受形变量接近于或等于柔性衬底的可耐受形变量；当应力传感器用于弯曲应力测试时，所述应力传感件B位于应力传感器工作时柔性衬底形变量大的部位；
当应力传感器为用于拉伸应力测试的应力传感器时，所述片形结构呈矩形，所述应力传感件A位于片形结构的中部，所述应力传感件B位于片形结构两侧的边沿部；
所述应力传感件A和应力传感件B以含导电纳米颗粒的粘合剂固定于柔性衬底的同一面；所述片形结构边沿处设有应力传感器的引线（5）；
所述柔性衬底以含导电纳米颗粒的粘合剂形成应力传感件A和应力传感件B之间的电性连接（4）；
应力传感件A感应面与应力传感件B感应面连接；
当应力传感器为用于弯曲应力测试的应力传感器时，所述片形结构呈长矩形，所述应力传感件B位于片形结构的中部，所述应力传感件A位于片形结构的长边两端部。
2.根据权利要求1所述的一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器，其特征在于：所述应力传感件B感应面的敏感材料包括褶皱碳材料、褶皱金属或褶皱有机电极；所述褶皱碳材料为褶皱石墨烯或褶皱碳纳米管；所述褶皱金属包括但不限于褶皱金或褶皱银；所述褶皱有机电极包括但不限于PEDOT:PSS；
所述应力传感件A感应面的敏感材料包括但不限于平面碳材料、导电金属、导电合金或有机电极；
所述导电纳米颗粒为金属纳米材料，所述金属纳米材料包括但不限于纳米金或纳米银；
所述柔性衬底的村料为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂或氟硅树脂其中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器，其特征在于：所述柔性衬底的可延展性在0～1000%之间，其厚度在0.1mm~1mm之间。
4.根据权利要求3所述的一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器，其特征在于：所述应力传感件B可承受的应变在0～1000%，应力传感件A的灵敏度在1～10000之间。
5.一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器的制备方法，其特征在于：权利要求2所述用于拉伸应力测试的应力传感器，其制备方法为：
步骤A1、预拉伸柔性衬底，以转印工艺把平面石墨烯转印至柔性衬底两侧端部；
步骤A2、使柔性衬底回缩复位，使柔性衬底两端部的平面石墨烯形成褶皱石墨烯，褶皱石墨烯成型为应力传感件B感应面的敏感材料；
步骤A3、以转印工艺把平面石墨烯转印至柔性衬底的中间位置，成型为应力传感件A感应面的敏感材料，并使应力传感件A感应面与应力传感件B感应面连接；
步骤A4、把含纳米金颗粒的粘合剂通过滴涂方法掺杂于应力传感件A感应面与应力传感件B感应面的连接位置处，并在柔性衬底两侧端部的应力传感件B感应面处引出引线；
步骤A5、把柔性衬底、应力传感件A、应力传感件B和引线以可延展柔性薄膜封装。
6.根据权利要求5所述的一种同时调控灵敏度和可延展性的应力传感器的制备方法，其特征在于：所述可延展柔性薄膜的材料为Ecoflex。
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