CN111504522A - 基于s型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器 - Google Patents

基于s型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器 Download PDF

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汤茜
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张刚
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Abstract

本发明公开了一种基于S形微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，属于柔性可拉伸应变传感器领域，S型微孔道液态金属复合介质层由在矩形柔性基体中设置由S型微孔道空腔并在S型微孔道腔体中注入液态金属构成，在S型微孔道液态金属复合介质层的上下表面依次设置柔性电极和柔性封装层。S型微孔道液态金属复合介质层以硅橡胶基底作为弹性基底，以液态金属作为液相填料填充S型微孔道，腔体在弹性基底中呈S型分布。本发明的电容式柔性拉伸传感器采用类似植物根茎的仿生结构，有良好的延展性、高灵敏度以及低延迟特性，为设计满足等人体姿态监测、人机交互、人体生理信号监测等应用领域需求的高灵敏度电容式柔性拉伸应变传感器提供了一种可行性方案。

Description

基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传 感器
技术领域
本发明属于柔性可拉伸应变传感器领域，具体涉及基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，可应用于人体姿态监测、人机交互、人体生理信号监测等应用领域。
背景技术
柔性电子产品近年来在智能材料与柔性传感器等技术的推动下发展迅速，引起了学术界与工业界的高度关注。柔性可拉伸应变传感器作为可穿戴电子产品的重要组成部分，以其独特的柔韧性、可拉伸性和佩戴舒适性等优点受到人们的关注，并广泛应用于电子皮肤(e-skin)、人机交互界面和智能机器人等领域。新一代柔性电子皮肤凭借其超薄、高可拉伸、高灵敏度、自驱动等特点，可以广泛应用于健康监测、机械假体、软体机器人、人机交互等领域。随着智能产品的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。而传感器作为柔性电子皮肤和可穿戴电子设备的核心部件，将影响其功能设计与未来发展走向。因此，发展具有高柔性、高延展性、穿戴舒适性、人机共融性的柔性拉伸应变传感器体现了重要的科学意义与应用价值。
常见的拉伸传感器包括电阻式、压电式、电容式三类，压电式与电阻式能够获得较高的灵敏度，但是在电-力学特性上表现出非线性，并且具有较大的延迟，极大地阻碍了传感器在实际中的应用。电容式具有极好的线性拉伸性以及可以小到可以忽略的延迟，这些特性满足了健康监测、人机交互、智能机器人等领域中对高稳定性、易监测、快速响应的需求，在上述场景中具有较好的应用前景。然而传统的电容式拉伸传感器发生应变的原理是通过拉伸改变平行极板的间距从而产生电容变化，受限于平行极板的物理特性，难以实现较高的灵敏度。为保证传感器高延展性的同时能够大幅度提高传感器的灵敏度和可重复性，通过基于仿生结构、分形结构的研究，制备液态复合介质层、多孔复合介质层、多夹层协同导电介质层等多种复合介质结构，赋予传感器更出色的性能以及更广阔的应用前景，成为当下的研究热点。
随着研究的进一步深入，柔性可拉伸应变传感器还需要设计新型的传感机理，解决在不同工作环境下的集成与数据分析等科学问题，还需要完成在传感器制备工艺、高分子材料合成技术与传感器件整合等多维度技术上的突破。首先，需要新材料和新信号传感机制加上新型制备工艺来拓展柔性可拉伸应变传感器在人体穿戴上的使用范围，以满足不同场合的需求；其次，在生态友好的基础上发展低能耗和自驱动的柔性传感器；再者，提高可拉伸应变传感器在可穿戴电子设备上的性能参数，包括灵敏度、响应时间、检测范围、集成度和检测下限等，提高所集成电子设备的便携性，降低传感器的制造成本；最后，发展无线传输技术，与移动终端结合，建立统一的平台服务，从而可以实现数据的实时传输、分析与反馈。随着科学技术的发展，特别是纳米材料和纳米集成技术的研究不断深入，可拉伸应变传感器在可穿戴领域展现出了更为广阔的应用前景。
目前液态金属多以镓、铟类合金为基础材料，再配以其他的功能材料进行复合以满足不同应用场景需求。在诸多液态金属中，镓铟合金等液态金属保持了低毒性的同时，还能具备优秀的导电、导热性能，是最柔软、最易变形的导电材料之一。相比于传统的硅橡胶(PDMS)介质层而言，通过将将液态金属填充在弹性微孔道中，结合金属微孔道的结构设计新型复合导电介质层，可以赋予柔性拉伸应变传感器更高的灵敏度，更快的响应时间以及更理想的拉伸性能。
传统的电子器件一般是基于金属型、半导体型或者硅基材料的，这类刚性器件柔韧性、拉伸性能有限，很难同人类复杂的皮肤表面有机贴合。柔性可拉伸应变传感器可以使得设备与复杂且动态的人体结构皮肤之间，保留高度空间结构和时间分辨率上的保形接触，并实时获取从皮肤界面收集的信号。近些年来，柔性应变传感器的发展逐渐从实验室研究向实际产业化应用过渡，如生理参数监测、运动姿态检测、手指关节姿态识别等，近几年国内外关于可拉伸应变传感器的发展方向主要体现在：选择材料的不同与加工工艺之间的差异。新型柔性基底和敏感导电材料的研究是设计和制备高性能柔性应变传感器的关键研究基础，因此在可拉伸应变传感器研究中发展了新型柔性基底如织物、聚氨酯类弹性基底(PCU、TPU等)与新型导电材料体系(碳化纸、银纳米线/银纳米颗粒两相复合填料等)。除了材料之外，优异的结构设计往往会使得传感器具有更为突出的性能。在日常活动中，借助于皱纹和折痕，人体皮肤的整体拉伸能力可以达到100％。受此启发，在可拉伸应变传感研究领域中，国内外研究者们采用了线状结构、平面二维结构、以及基于仿生学、日常生活灵感的特殊结构，为可拉伸应变传感器结构设计和性能提升提供优秀的可行性方案。分析传感器的性能特点，进而根据不同传感特性研究符合场景特点的应用，而设计应变传感器时兼顾拉伸性、线性和高分辨率等性能仍然是可拉伸应变传感研究领域的重点难题。
国外研究中，韩国材料科学研究所Dong Yun Choi等人采用离子水填充在波浪状Ecoflex弹性基底中作为介质层，介质层两端封装金属铜作为电极，制备了一种离子水电阻式拉伸传感器。拉伸时由于弹性形变，波浪状通路两端柔性基底发生应力应变，通过使得传感器介质层的长度与横截面积发生变化，进而改变应变传感器的电阻值。然而Dong YunChoi等人所提出的传感器采用电阻式设计，电-力学特性表征具有非线性，在工程领域中的应用受到局限。东京大学的Roda Nur等人用金与柔性绝缘基质材料制成褶皱状复合电极板，实现了一种高灵敏度的电容式可拉伸柔性应变传感器。在拉伸时，复合极板紧凑的褶皱结构受力应变逐渐松弛，使得金电极板得以拉伸。虽然这种结构实现了较好的电-力学线性特性，并且延迟较低，但是制备流程困难繁琐，且金较脆弱，金膜作为极板耐久性较差。
在国内，中科院宁波材料技术与工程研究所周友林等人开展了基于室温液态金属的相关研究，研究了一种用于可穿戴设备传感器中的液态金属转移印刷法。该方法利用液态金属在Cu与聚酯上的浸润性差异，将金属按Cu板上的图案转移到为液态金属图案。出于制备传感器尺寸、形状、图案等方面的差异，使得对Cu板模具的加工工艺要求较高，一定程度上限制了液态金属在制备传感器方向的应用推广。
上述相关研究表明，电容式柔性拉伸传感器的主要发展趋势是在复合结构方向的创新，保证高可拉伸性和灵活性的同时提高其灵敏度从而具备广阔的应用前景。仿生结构作为模拟人体躯体知觉系统、将外界变化信号转化为电信号的重要灵感来源。通过结合仿生学进行结构设计，来实现柔性应变传感器的结构创新与性能提升。在针对现有的技术不足的基础上，进一步评估微孔道液态金属复合介质层的结构参数差异对传感器电学特性与力学特性的影响规律。新一代液态金属以及微孔道仿生结构的相关研究，在柔性拉伸应变传感器的发展进程中具有较强的研究价值与指导意义，对于电子皮肤、新型可穿戴电子设备等领域具有重要的应用前景。为了实现传感器的高灵敏度、高柔性、高弹性、高可拉伸性以及生物相容性，实现人体运动检测以及医学健康检测的性能要求，提供一种高灵敏度电容式柔性拉伸传感器非常必要。从该研究的可应用领域来看，基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，在实时和高精度人体运动监测等可穿戴电子设备，人机交互界面和智能机器人等方面具有巨大的应用前景。
发明内容
为提升电容式柔性拉伸传感器的灵敏度，本发明以植物根茎的微孔道结构为灵感，提供一种基于S型微孔道液态金属复合介质层的高灵敏度电容式柔性拉伸应变传感器，通过优化S型微孔道液态金属复合介质层中S型微孔道的结构参数可实现对传感器电学特性与力学特性的灵活调控。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，主要由柔性封装层1、柔性电极2和S型微孔道液态金属复合介质层3构成；
其中，S型微孔道液态金属复合介质层3由在矩形柔性基体3-1中设置由S型微孔道空腔3-2并在S型微孔道空腔3-2中注满液态金属，并在开口处密封构成；所述的S型微孔道空腔3-2沿矩形柔性基体径向方向分布，形状为连续的S型；
S型微孔道液态金属复合介质层3的上下表面依次设置柔性电极2和柔性封装层1，形成三明治结构。
进一步的，矩形柔性基体3-1采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅橡胶或其他高分子柔性聚合物，其中优选的材料是硅橡胶。
液态金属可采用镓、铟类合金为基础材料，再配以其他的功能材料进行复合得到的复合材料，优选的材料是镓铟合金液态金属。
优选的，S型微孔道空腔3-2的空腔数量为3个以上；当数量为3个时，沿水平面平行均匀排布；当数量为4个时，分成两层S型微孔道空腔3-2，每层分别设置2个S型微孔道空腔3-2；当数量为6个时，分成两层S型微孔道空腔3-2，每层分别设置3个S型微孔道空腔3-2。
S形微孔道空腔的微孔道半径、微孔道弯曲幅度、微孔道弯曲频率以及孔道截面形状，定义微孔道弯曲幅度为单个S型结构横向长度与径向长度的比值，定义微孔道弯曲频率为微孔道弯曲幅度确定条件下拉伸应变传感器中包含完整S型结构的个数，其中，微孔道半径在50～500μm，微孔道弯曲幅度在0.1～1，微孔道弯曲频率在3-20，孔道截面形状包括圆形、椭圆形、矩形和三角形。
本发明的有益效果：
相比现有技术，本发明的基于S型微孔道液态金属复合介质层的高灵敏度电容式拉伸应变传感器，首先，通过在柔性矩形基体中设置S型微孔道空腔并填充液态金属以形成复合介质层，利用复合介质层显著的介电常数提升电容式拉伸应变传感器的静态输出，有利于提升抗干扰性。其次，具有仿生结构的S型微孔道液态金属复合介质层，相较于传统柔性矩形体介质层，有利于提升电容式柔性拉伸应变传感器的拉伸率，复合介质层采用固-液两相材料，具有流固耦合特性，液态金属同时具备优秀的形变特性与良好的电学性能，在微孔道中液体腔受力变形效果明显，在拉伸应变时容易依据结构参数的变化产生较大的敏感特征，在保持电-力学特性线性表征、低延迟的同时提高电容式柔性拉伸传感器的灵敏度。此外，S形微孔道空腔具有类似植物根茎的仿生结构，其结构参数包括微孔道半径、微孔道弯曲幅度、微孔道弯曲频率、单层微孔道条数、微孔道层数以及孔道截面形状，均会影响S型微孔道空腔在矩形柔性基体的空间分布形态，通过优化S型微孔道液态金属复合介质层中S型微孔道的结构参数可实现对传感器电学特性与力学特性的灵活调控。通过调节上述结构参数，可以满足传感器性能的不同要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明一个实施例的整体结构示意图。
图2为本发明一个实施例的S型微孔道分布示意图。
图3为本发明实施例中S型微孔道截面示意图。
图4为发明实施例中S型微孔道结构参数示意图。
图5为发明实施例中S型微孔道分布结构示意图。
图6为本发明中对微孔道弯曲幅度、微孔道弯曲频率两种结构参数的示意图。
图7为发明实施例中电容式柔性拉伸应变传感器输出特性曲线。
图中，1-柔性封装层，2-柔性电极，3-复合介质层，3-1矩形柔性基体，3-2S型微孔道空腔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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，都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例中基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，主要由柔性封装层1、柔性电极2和S型微孔道液态金属复合介质层3构成；
其中，S型微孔道液态金属复合介质层3由在矩形柔性基体3-1中设置由S型微孔道空腔3-2并在S型微孔道空腔3-2中注满液态金属，并在开口处密封构成；所述的S型微孔道空腔3-2沿矩形柔性基体径向方向分布，形状为连续的S型(如图3所示)；
S型微孔道液态金属复合介质层3的上下表面依次设置柔性电极2和柔性封装层3，形成三明治结构。
其中的S型微孔道液态金属复合介质3层采用含S型微孔道空腔3-1的矩形柔性基底3-2作为固相基体，以液态金属作为液相填料填充，并密封处理，空腔3-1沿矩形柔性基体3-2径向方向呈S型分布，具有类似植物根茎的仿生结构。
本发明的基于S型微孔道液态金属复合介质层的高灵敏度电容式柔性拉伸传感器，可以将其等效为柔性电极板间距与介质层有效介电常数协同控制的平行板电容器，柔性封装层1和柔性电极板2分别采用硅橡胶和有机硅导电银胶为材质，在拉伸应变下，S型微通道液态金属复合介质层发生形变，上下柔性电极板间距减小，输出电容随之发生变化，通过检测电容值的变化来检测应力应变，通过使柔性电极板间距与介质层有效介电常数协同作用提高电容式柔性拉伸应变传感器的灵敏度。
实施例2
如图4至图6所示，S形微孔道空腔具有类似植物根茎的仿生结构，其结构参数包括微孔道半径、微孔道弯曲幅度、微孔道弯曲频率、单层微孔道条数、微孔道层数以及孔道截面形状，均会影响S型微孔道空腔在矩形柔性基体的空间分布形态，
S形微孔道空腔的微孔道半径、微孔道弯曲幅度、微孔道弯曲频率以及孔道截面形状，其中，微孔道弯曲幅度为单个S型结构横向长度与径向长度的比值，微孔道弯曲频率为微孔道弯曲幅度确定条件下拉伸应变传感器中包含完整S型结构的个数，通常微孔道半径在50～500μm，微孔道弯曲幅度在0.1～1，微孔道弯曲频率在3-20，孔道截面形状包括圆形、椭圆形、矩形和三角形。通过优化S型微孔道液态金属复合介质层中S型微孔道的结构参数可实现对传感器电学特性与力学特性的灵活调控。
图7为基于COMSOL仿真软件对基于S型微孔道液态金属复合介质层的高灵敏度电容式柔性拉伸传感器输出特性的仿真结果，可以看出，其输出特性具有良好的线性度和灵敏度。
本发明基于S型微孔道液态金属复合介质层的高灵敏度电容式柔性拉伸传感器的制备工艺，主要基于3D打印技术、流体成型技术和层层组装技术，利用Solidworks构建对应柔性封装层1、柔性电极2、S型微孔道空腔3-1模型，并结合3D打印技术制备所需要的模具。将硅橡胶注入柔性基底模具中，模具在室温下放入真空干燥箱中固化，脱模。将镓铟合金液态金属注入S型微孔道空腔3-1中，制成S型微孔道液态金属复合介质层3。在制成的介质层基底上下表面依次粘接柔性电极2和柔性封装层1，静置固化，得到本发明所述的基于S型微孔道液态金属复合介质层的高灵敏度电容式柔性拉伸应变传感器。
以上仅为本发明的示范案例，用来说明本发明的技术方案，并非对发明的保护范围的限制，对以上案例的任何简单修改和等同替换时，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，其特征在于，该传感器主要由柔性封装层(1)、柔性电极(2)和S型微孔道液态金属复合介质层(3)构成；
其中，S型微孔道液态金属复合介质层(3)由在矩形柔性基体(3-1)中设置由S型微孔道空腔(3-2)并在S型微孔道空腔(3-2)中注满液态金属，并在开口处密封构成；所述的S型微孔道空腔(3-2)沿矩形柔性基体径向方向分布，形状为连续的S型；
S型微孔道液态金属复合介质层(3)的上下表面依次设置柔性电极(2)和柔性封装层(1)，形成三明治结构。
2.根据权利要求1所述的基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，其特征在于，矩形柔性基体(3-1)由高分子柔性聚合物材料制成。
3.根据权利要求2所述的基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，其特征在于，所述的高分子柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶。
4.根据权利要求1所述的基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，其特征在于，液态金属为镓、铟类合金或者镓、铟类合金与其他的功能材料进行复合得到的复合材料。
5.根据权利要求1所述的基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，其特征在于，液态金属为镓铟合金液态金属。
6.根据权利要求1所述的基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，其特征在于，S型微孔道空腔(3-2)的空腔数量为3个以上。
7.根据权利要求6所述的基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，其特征在于，当数量为3个时，沿水平面平行均匀排布。
8.根据权利要求6所述的基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，其特征在于，当数量为4个时，分成两层S型微孔道空腔(3-2)，每层分别设置2个S型微孔道空腔(3-2)。
9.根据权利要求6所述的基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，其特征在于，当数量为6个时，分成两层S型微孔道空腔(3-2)，每层分别设置3个S型微孔道空腔(3-2)。
10.根据权利要求1所述的基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，其特征在于，所述的S型微孔道空腔(3-2)中微孔道半径在50～500μm之间，微孔道弯曲幅度在0.1～1之间，微孔道弯曲频率在3-20之间，孔道截面形状包括：圆形、椭圆形、矩形和三角形；所述的微孔道弯曲幅度为单个S型结构横向长度与径向长度的比值，微孔道弯曲频率为微孔道弯曲幅度确定条件下拉伸应变传感器中包含完整S型结构的个数。
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