CN111174685A - 柔性应变传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性应变传感器，包括：衬底；以及金属薄膜层，所述金属薄膜层形成在衬底上；其中，所述衬底的厚度为10μm‑25μm。根据本发明公开的应变传感器，金属薄膜层可以快速灵敏地对外界应变进行响应，而且采用厚度为10μm‑25μm的衬底具有更优异的机械顺从性，从而对于应变刺激具有更高的灵敏度，能够快速灵敏地对应变刺激进行响应。

Description

柔性应变传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及应变测量领域，具体涉及一种柔性应变传感器及其制作方法。

背景技术

由于基于裂纹层叠结构的应变传感器具有较高的灵敏度，其被广泛应用于电子皮肤领域，以对外界刺激如压力、应变和温度等进行响应。然而该类型柔性应变传感器在实际应用中仍有很大的局限性，首先由于应变传感器的衬底较厚，导致了其较低的机械顺从性，进而限制了应变传感器在不同弯曲表面的应用。其次，在制备应变传感器时，其导电薄膜的活性材料成本高，制备过程复杂，而且该类型的传感器无法对微小应变的刺激进行响应。

发明内容

有鉴于此，为了克服上述问题的至少一个方面，本发明的实施例提供一种柔性应变传感器，该柔性应变传感器包括衬底以及金属薄膜层，所述金属薄膜层形成在所述衬底上；其中，所述衬底的厚度为10μm-25μm。

进一步地，所述衬底的厚度为15μm。

进一步地，所述衬底采用弹性高分子聚合物制成。

进一步地，所述弹性高分子聚合物包括聚二甲基硅氧烷。

进一步地，其特征在于，所述金属薄膜层具有裂纹层叠结构。

进一步地，所述金属薄膜层采用金、银、铝或氧化铟锡制成，优选采用银制成。

进一步地，所述金属薄膜层包括成“工”字型设置的金属薄膜层第一部分、金属薄膜层第二部分和金属薄膜层第三部分，所述金属薄膜层第二部分位于所述金属薄膜层第一部分和金属薄膜层第三部分之间。

进一步地，所述金属薄膜层第二部分的尺寸为1mm×2mm-100mm×200mm；所述金属薄膜层第一部分和所述金属薄膜层第三部分的尺寸为1mm×2mm-100mm×200mm。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种应变传感器的制作方法，包括以下步骤：

S1，提供牺牲层；

S2，在所述牺牲层上形成衬底，其中所述衬底的厚度为10μm-25μm；

S3，在所述衬底上形成金属薄膜层；以及

S4，去除牺牲层。

进一步地，在步骤S3中，利用磁控溅射法在所述衬底上形成所述金属薄膜层。

进一步地，步骤S3还包括：

S31，对所述衬底进行预拉伸，形成具有裂纹层叠结构的金属薄膜层。

进一步地，在步骤S31中，利用线性马达对所述衬底进行预拉伸。

进一步地，利用高速旋涂法在所述牺牲层上形成所述衬底。

进一步地，所述衬底采用弹性高分子聚合物制成。

进一步地，所述弹性高分子聚合物包括聚二甲基硅氧烷。

进一步地，利用去离子水去除所述牺牲层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点之一：

1、本发明提供的应变传感器，由于其超薄的衬底从而能够对应变刺激做出高灵敏度的响应，并且具有优异的机械顺从性；

2、本发明提供的制作应变传感器的方法简单易行，成本低。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为本发明实施例提供的柔性应变传感器的剖视图；

图2为本发明实施例提供的柔性应变传感器的金属薄膜层形状示意图；

图3为本发明实施例提供的制作柔性应变传感器的方法流程图；

图4为利用电子显微镜扫描柔性应变传感器截面得到的照片；

图5A为利用电子显微镜扫描金属薄膜层表面得到的照片；

图5B为利用电子显微镜扫描柔性应变传感器得到的照片；

图6为采用不同厚度的衬底的柔性应变传感器在受到外界应变时，金属薄膜层的相对电阻变化示意图；

图7A为柔性应变传感器的金属薄膜层在受到外界应变时的相对电阻变化示意图；

图7B为柔性应变传感器的金属薄膜层在受到外界应变时的灵敏度因子变化示意图；

图8为应变逐渐增大和应变逐渐减小时的相对电阻变化的比较示意图；

图9为在柔性应变传感器受到不同应变时，相对电阻的变化示意图；

图10为柔性应变传感器在一定应变下的响应时间示意图；

图11为柔性应变传感器在受到不同频率的应变时的相对电阻变化示意图；

图12为柔性应变传感器在受到600次0.78％应变时的相对电阻变化示意图；

图13为柔性应变传感器感应压力分布的状态示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式做详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种应变传感器100，其包括衬底1以及形成在衬底1上的金属薄膜层2。

其中，图1示出的衬底1可以采用弹性高分子聚合物制成，优选采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成。这样可以使得制得的衬底1具有优异的柔弹性、惰性及良好的生物相容性，能够适用于基于电阻型结构的应变传感器。

在一些实施例中，由于高速旋涂法简单易行，成本低，因此衬底可以利用高速旋涂法制备。

在一些实施例中，衬底的厚度为微米级的，例如厚度可以为10μm-25μm，优选为15μm。

具体的，如图2所示，金属薄膜层2可以包括金属薄膜层第一部分21、金属薄膜层第二部分22和金属薄膜层第三部分23。在本实施例中，可以通过金属薄膜层第一部分21和金属薄膜层第三部分23引出导线，并通过金属薄膜层第二部分22感应压力应变。金属薄膜层第二部分22位于金属薄膜层第一部分21和金属薄膜层第三部分23之间，且金属薄膜层第一部分21和金属薄膜层第三部分23大小形状相同，即金属薄膜层第一部分21的宽度等于金属薄膜层第三部分23的宽度。而且金属薄膜层第二部分22的宽度小于金属薄膜层第一部分21的宽度和/或金属薄膜层第三部分23的宽度。这样，金属薄膜层第一部分21、金属薄膜层第二部分22和金属薄膜层第三部分23可以形成“工”字形的形状。

在本实施例中，金属薄膜层第二部分22的尺寸可以为1mm×2mm-100mm×200mm，优选为4mm×15mm，金属薄膜层第一部分21和金属薄膜层第三部分23的尺寸可以为1mm×2mm-100mm×200mm，优选为2mm×8mm。当然，在其他实施例中，可以根据实际情况减小或增加金属薄膜层第一部分21、金属薄膜层第二部分22和金属薄膜层第三部分23的面积，以满足实际需求。

在一些实施例中，金属薄膜层2可以采用金、银、铝、氧化铟锡(ITO)等制成，优选采用银(Ag)制成。这样使得制得的金属薄膜层2能够具有良好的导电性、稳定性及生物相容性，能够适用于基于电阻型结构的应变传感器。

在一些实施例中，由于通过磁控溅射获得的金属薄膜层2能够与衬底1结合较好，厚度均匀，制备简单，易于工业化，因此金属薄膜层2可以通过磁控溅射制得，并且金属薄膜层2具有平行层叠区域，这样就会在金属薄膜层2的表面具有裂纹层叠结构。

在本实施例中，金属薄膜层2可以用于测试弯曲应变。当对应变传感器100施加应变并逐渐增大时，金属薄膜层2的裂纹层叠区域减少直到形成裂缝，随后裂缝增宽，从而使金属薄膜层2的电阻增大，这样即可通过电阻相对变化的大小反应施加的应变的大小。

根据本发明的另一个方面，如图3所示，本发明还提供了一种应变传感器的制作方法，包括步骤：

S1，提供牺牲层。

其中，牺牲层为可以溶于去离子水的有机化合物薄膜，优选为聚乙烯醇(PVA)水溶液低温干燥后的聚乙烯醇(PVA)薄膜。

S2，在所述牺牲层上形成衬底，其中所述衬底的厚度为10μm-25μm。

在本步骤中，可以利用高速旋涂法在牺牲层上形成利用弹性高分子聚合物制成的衬底，弹性高分子聚合物可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

S3，在所述衬底上形成金属薄膜层。

在本步骤中，可以利用磁控溅射法在衬底上形成金属薄膜层。并且利用线性马达对衬底进行预拉伸，以形成具有裂纹结构的金属薄膜层。

S4，去除牺牲层。

在本步骤中，可以利用去离子水去除牺牲层。

下面结合图4-图13说明本实施例提供的应变传感器的物理化学性质。

图4示出了利用电子显微镜扫描应变传感器截面得到的照片，而且利用显微镜自带的测量工具，可以测得采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的衬底的厚度为15μm。其中，图4中标注了长度为20μm的标尺，用来作为参考长度。

图5A示出了利用电子显微镜扫描金属薄膜层表面得到的照片，可以看出金属薄膜层表面有平行的裂纹。其中，图5A中标注了长度为50μm的标尺，用来作为参考长度。

图5B示出了利用电子显微镜扫描应变传感器得到的照片，可以看出，在无应力作用时，金属薄膜层表面的裂纹明显的层叠区域。其中，图5B中标注了长度为5μm的标尺，用来作为参考长度。

图6示出了采用不同厚度的衬底的应变传感器，在受到外界应变时，金属薄膜层的相对电阻(ΔR/R₀)变化示意图。从图中可以看出，随着衬底厚度的减小，应变传感器的灵敏度显著增大，但是探测范围变小。因此基于灵敏度与探测范围的双重考虑，采用厚度为15μm的衬底。

图7A示出了应变传感器的金属薄膜层在受到外界应变时的相对电阻变化示意图。从图中可以看出，随着应变增大，金属薄膜层的相对电阻变化值显著增大。

图7B示出了应变传感器的金属薄膜层在受到外界应变时的灵敏度因子变化示意图。从图中可以看出，随着应变增大，灵敏度因子增大。而且在应变为0.87％时，灵敏度因子达到了44012。由此可见，该应变传感器具有较高的灵敏度因子。

图8示出了应变逐渐增大和应变逐渐减小时的相对电阻变化的比较示意图。从图中可以看出，当应变按0.31％、0.38％、0.44％、0.49％、0.52％、0.55％逐渐增大时和应变按0.55％、0.52％、0.49％、0.44％、0.38％、0.31％逐渐减小时，相对电阻的变化基本相同。

图9示出了在应变传感器受到不同应变时，相对电阻的变化示意图。从图中可以看出，当应变按0.44％、0.57％、0.68％、0.69％及0.72％增大时，相对电阻也随之增大。

图10示出了应变传感器在一定应变下的响应时间示意图。从图中可以看出，传感器的响应时间与恢复时间分别为87ms及68ms，该传感器具有较快的响应速度。。

图11示出了应变传感器在受到不同频率的应变时的相对电阻变化示意图。从图中可以看出，当应变为0.70％时，在应变频率为0.1Hz、0.16Hz、0.24Hz、0.59Hz、0.9Hz及1.15Hz下，应变传感器的相对电阻并未发生显著变化，说明其性能在不同频率的应变下较为稳定。

图12示出了应变传感器在受到600次0.78％应变时的相对电阻变化示意图。从图中可以看出，应变传感器的相对电阻并未发生显著变化，其性能在长期使用过程中较为稳定。

图13示出了应变传感器感应压力分布的状态示意图。从图中可以看出，可以较为准确的判断被施加应变的阵列点。

与现有技术相比，本发明提供的应变传感器由于其超薄的衬底，而能够对应变刺激做出高灵敏度的响应，并且具有优异的机械顺从性。而且本发明提供的制作应变传感器的方法简单易行，成本低。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (16)

1.一种柔性应变传感器，包括：

衬底；以及

金属薄膜层，所述金属薄膜层形成在所述衬底上；

其中，所述衬底的厚度为10μm-25μm。

2.如权利要求1所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述衬底的厚度为15μm。

3.如权利要求1或2所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述衬底采用弹性高分子聚合物制成。

4.如权利要求3所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述弹性高分子聚合物包括聚二甲基硅氧烷。

5.如权利要求1-4中任一项所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述金属薄膜层具有裂纹层叠结构。

6.如权利要求1-5中任一项所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述金属薄膜层采用金、银、铝或氧化铟锡制成，优选采用银制成。

7.如权利要求1-6中任一项所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述金属薄膜层包括成“工”字型设置的金属薄膜层第一部分、金属薄膜层第二部分和金属薄膜层第三部分，所述金属薄膜层第二部分位于所述金属薄膜层第一部分和金属薄膜层第三部分之间。

8.如权利要求7所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述金属薄膜层第二部分的尺寸为1mm×2mm-100mm×200mm；所述金属薄膜层第一部分和所述金属薄膜层第三部分的尺寸为1mm×2mm-100mm×200mm。

9.一种柔性应变传感器的制作方法，包括以下步骤：

S1，提供牺牲层；

S2，在所述牺牲层上形成衬底，其中所述衬底的厚度为10μm-25μm；

S3，在所述衬底上形成金属薄膜层；以及

S4，去除牺牲层。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，利用磁控溅射法在所述衬底上形成所述金属薄膜层。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，步骤S3还包括：

S31，对所述衬底进行预拉伸，形成具有裂纹层叠结构的金属薄膜层。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤S31中，利用线性马达对所述衬底进行预拉伸。

13.如权利要求9-12中任一项所述的方法，其特征在于，利用高速旋涂法在所述牺牲层上形成所述衬底。

14.如权利要求9-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底采用弹性高分子聚合物制成。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述弹性高分子聚合物包括聚二甲基硅氧烷。

16.如权利要求9-15中任一项所述的方法，其特征在于，利用去离子水去除所述牺牲层。

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