CN111504525A - 一种柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性压力传感器及其制备方法，包括：液态金属泡沫框体、柔性封装体和两根金属引线；其中，液态金属泡沫框体具有由液态金属微米级骨架相互连接所构成的三维导电网络；柔性封装体填充于液态金属泡沫框体中且渗透至液态金属泡沫框体的三维导电网络的孔隙中；两根金属引线分别连接在液态金属泡沫框体的两端。本发明提供的柔性压力传感器,通过内部具有三维导电网络的液态金属泡沫框体作为测压元件，该测压元件在拉伸或压缩的情况下会产生导电通路变化，相应的产生电阻的变化，进而由其电阻可得到对应的压力；进一步通过在液态金属泡沫框体内部渗透柔性封装体，提高了柔性压力传感器的抗电磁干扰能力，保证了压力检测的准确性。

Description

一种柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

随着现代技术的发展，柔性压力传感器受到越来越多的研究和关注。相比于传统的压力传感器，柔性压力传感器在结构设计上更加灵活，在应用方面也更具有多样性。在实际的工业以及生活应用中，柔性压力传感器在电子皮肤，柔性触摸屏，医疗器械，人机交互，仿生机器触觉以及工业机器人等诸多领域。

电阻式柔性压力传感器主要是通过将外部压力的变化转化为其内部结构电阻的变化。目前对电阻式柔性压力传感器的研究在响应灵敏性、准确性以及量程范围等方面已经取得了较大的突破。考虑到在实际应用中复杂多变的电磁环境对传感器准确性的影响，对于能够实现抗电磁干扰的柔性压力传感器的研究显得尤为重要。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种柔性压力传感器及其制备方法，旨在解决现有技术中柔性压力传感器抗电磁干扰能力差导致其在复杂电磁环境下检测准确性较差的问题。

一个方面，本发明提出了一种柔性压力传感器，包括：液态金属泡沫框体、柔性封装体和两根金属引线；其中，所述液态金属泡沫框体具有由液态金属微米级骨架相互连接所构成的三维导电网络；所述柔性封装体填充于所述液态金属泡沫框体中且渗透至所述液态金属泡沫框体的三维导电网络的孔隙中，用于封装所述液态金属泡沫框体并增强所述液态金属泡沫框体的抗电磁干扰能力；

两根所述金属引线分别连接在所述液态金属泡沫框体的两端，用于将所述液态金属泡沫框体连接至外部电路以测量所述液态金属泡沫框体的电阻。

进一步地，上述柔性压力传感器中，制备所述液态金属泡沫框体所选用的液态金属材料选自熔点在5℃~25℃的液态金属合金。

进一步地，上述柔性压力传感器中，所述液态金属合金选自GaIn和GaInSn中的至少一种。

进一步地，上述柔性压力传感器中，所述液态金属泡沫框体的厚度在0.1mm-2mm的范围内，所述液态金属泡沫框体内部三维导电网络的孔隙率在70%-77%范围内，所述液态金属泡沫框体内部三维导电网络的平均孔径在20μm-500μm范围内。

进一步地，上述柔性压力传感器中，所述液态金属泡沫框体内部三维导电网络的孔隙结构呈球形、矩形或编织形。

进一步地，上述柔性压力传感器中，所述柔性封装体的材质为硅橡胶材料与液态金属进行充分混合后形成液态金属硅橡胶混合物，其中，所述硅橡胶材料与液态金属的质量比为1~4:1；所述硅橡胶材料选自PDMS、Ecoflex以及SEBS中的至少一种。

进一步地，上述柔性压力传感器中，所述金属引线的直径为0.01mm~0.5mm。

另一方面，本发明还提出了一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤（1），将孔隙直径为20μm-500μm的模板颗粒与水按照一定的质量比混合后压入框型3D打印模具中，制成多孔块状模板，并将其在-50℃ 的环境下冷冻干燥一段时间以去除水分；步骤（2），将所述干燥后的多孔块状模板从模具中取出后放入含有液态金属的容器中，抽真空使液态金属渗透到多孔块状模板的孔隙中，随后在-20℃~10℃的水性溶剂中超声处理一段时间，直至所述多孔块状模板完全溶解并得到固态的液态金属泡沫，将其在-50℃ 的环境下冷冻干燥一段时间以去除水分；步骤（3），将液态金属和未固化的硅橡胶按照预设质量比充分混合以得到未固化的液态金属硅橡胶混合物，并将其作为封装材料；步骤（4），在-10℃~0℃的环境下，将所述固态的液态金属泡沫结构放入矩形3D打印模具中，将两根具有封装层的金属引线的接头分别插入液态金属泡沫结构的两端，随后向所述固态的液态金属泡沫结构中灌满未固化的液态金属硅橡胶混合物，抽真空直至液态金属硅橡胶混合物完全渗透到液态金属泡沫结构的孔隙中，在-10℃~0℃环境下静置一段时间使液态金属硅橡胶混合物得到固化，即可得到抗电磁干扰的柔性压力传感器。

进一步地，上述柔性压力传感器的制备方法中，所述步骤（3）中，预设质量比为1~4:1。

进一步地，上述柔性压力传感器的制备方法中，所述步骤（4）中，具有封装层的金属引线的制备方法如下：将一定量未固化的液态金属硅橡胶混合物灌注于预设内径的硅橡胶管内，再将金属线插入其中心位置，并在50℃下烘烤3小时，使得液态金属硅橡胶混合物完全固化，最后将所述硅橡胶管壁破坏，即可得到具有封装层的金属引线。

本发明提供的柔性压力传感器, 通过内部具有三维导电网络的液态金属泡沫框体作为测压元件，该测压元件在拉伸或压缩的情况下会产生导电通路变化，相应的产生电阻的变化，进而由其电阻可得到对应的压力；进一步通过在液态金属泡沫框体内部渗透柔性封装体，提高了柔性压力传感器的抗电磁干扰能力，保证了压力检测的准确性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的柔性压力传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的柔性压力传感器的液态金属泡沫结构的微观电子扫描实物图；

图3为本发明实施例提供的柔性压力传感器的金属引线的截面示意图；

图4为本发明实施例提供的柔性压力传感器的压缩响应曲线；

图5为本发明实施例提供的柔性压力传感器的弯曲响应曲线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参阅图1和图2，本发明实施例的柔性压力传感器包括：液态金属泡沫框体1、柔性封装体2和两根金属引线3；其中，所述液态金属泡沫框体1具有由液态金属微米级骨架相互连接所构成的三维导电网络；所述柔性封装体2填充于所述液态金属泡沫框体1中且渗透至所述液态金属泡沫框体1的三维导电网络的孔隙中，用于封装所述液态金属泡沫框体1并增强所述液态金属泡沫框体1的抗电磁干扰能力；两根所述金属引线3分别连接在所述液态金属泡沫框体1的两端，用于将所述液态金属泡沫框体1连接至外部电路以测量所述液态金属泡沫框体1的电阻。

具体而言，所述液态金属泡沫框体1可以为顶部开口的矩形结构、柱形结构、椭圆形等结构。

本实施例中，所述液态金属泡沫框体1的厚度在0.1mm-2mm的范围内，能在满足压力感应过程灵敏度要求的同时使得加工过程较为容易。所述液态金属泡沫框体内部三维导电网络的孔隙率在70%-77%范围内，所述液态金属泡沫框体内部三维导电网络的平均孔径在20μm-500μm范围内。

本发明中液态金属泡沫框体作为测压元件，其内部的三维导电网络，使得整个框体结构在拉伸或压缩的情况下会产生导电通路变化，进而产生电阻的变化，故可用于制备电阻式柔性传感器。此外，网状多孔结构，使得液态金属泡沫框体的抗形变能力较强，对压力变化较为敏感，因此，有利于保证压力检测的灵敏度和准确度。

制备液态金属泡沫框体1所选用的液态金属材料选自熔点在5℃~25℃的的液态金属合金。所述液态金属合金选自GaIn（熔点为16℃）和GaInSn（熔点为10℃）中的至少一种。所述液态金属泡沫框体1内部三维导电网络的孔隙结构呈球形、矩形或编织形。

柔性封装体2的材质为硅橡胶材料与液态金属进行充分混合后形成液态金属硅橡胶混合物，其中，硅橡胶材料与液态金属的质量比为1~4:1，优选为4:1；所述硅橡胶材料选自聚二甲基硅氧烷（PDMS）、热塑性生物降解塑料（Ecoflex）以及苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）中的至少一种。

参阅图3，两根金属引线3可以分别插设在液态金属泡沫框体1的两端。所述金属引线3的直径为0.01mm~0.5mm。金属引线3可以为铜线、银丝等，本实施例中以铜线作为金属引线，以通过将液态金属泡沫框体结构连接至外部测量电路中测量液态金属泡沫框体的电阻后，即可得到其所受到的压力。

本实施例中柔性压力传感器的工作原理为：液态金属泡沫框体在受到拉伸或压缩的情况下会产生导电通路变化，进而产生电阻的变化，通过连接外部电路检测到测压元件的当前电阻R，由于压力与阻值呈线性关系，可以根据R、参比电阻R₀及参比电阻R₀对应的压力P₀即可计算得到当前柔性压力传感器受到的压力。其中，参比电阻值为测压元件中未有电流通过时的电阻值。

上述显然可以得出，本实施例中提供的柔性压力传感器，通过内部具有三维导电网络的液态金属泡沫框体作为测压元件，该测压元件在拉伸或压缩的情况下会产生导电通路变化，相应的产生电阻的变化，进而由其电阻可得到对应的压力；进一步通过在液态金属泡沫框体内部渗透柔性封装体，提高了柔性压力传感器的抗电磁干扰能力，保证了压力检测的准确性。

本发明还提供了柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤（1），将孔隙直径为20μm-500μm的模板颗粒与水按照一定的质量比混合后压入框型3D打印模具中，制成多孔块状模板，并将其在-50℃的环境下冷冻干燥一段时间以去除水分。

具体而言，模板颗粒可以为糖、盐颗粒等水溶性颗粒，其孔隙直径可以根据实际情况确定，例如可以为500μm。模板颗粒在其与水的混合液中的质量百分数可以小于1%。

步骤（2），将所述干燥后的多孔块状模板从模具中取出后放入含有液态金属的容器中，抽真空使液态金属渗透到多孔块状模板的孔隙中，随后在-20℃~10℃的水性溶剂中超声处理一段时间，直至所述多孔块状模板完全溶解并得到固态的液态金属泡沫，将其在-50℃的环境下冷冻干燥一段时间以去除水分。

具体而言，将得到的多孔块状模板后干燥除水后将其从模具中取出后，将其放入含有液态金属的容器中，可以采用真空抽滤的方式使液态金属渗透到多孔块状模板中。真空抽滤的时间可以根据液态金属渗透的具体情况确定，例如可以抽滤30-60min。本实施例中选用熔点低于-20℃的水性溶剂，例如利用水乙二醇混合溶液作为水性溶剂，以在将多孔块状模板溶解掉的情况下确保液态金属为固态。水乙二醇混合溶液中乙二醇的质量比为50%，该混合物熔点为-37℃。

步骤（3），将液态金属和未固化的硅橡胶按照预设质量比充分混合以得到未固化的液态金属硅橡胶混合物，并将其作为封装材料。

具体而言，液态金属和未固化的硅橡胶的质量比为1~4:1；优选为4:1。将液态金属和未固化的硅橡胶混合后，可以采用电动搅拌器在1000-2000r/min下搅拌一段时间使二者充分混合，在将液态金属打碎成直径为10~20微米的金属液滴的同时实现二者的充分混和以制备封装材料。

步骤（4），在-10℃~0℃的环境下，将所述固态的液态金属泡沫结构放入矩形3D打印模具中，将两根具有封装层的金属引线的接头分别插入液态金属泡沫结构的两端，随后向所述固态的液态金属泡沫结构中灌满未固化的液态金属硅橡胶混合物，抽真空直至液态金属硅橡胶混合物完全渗透到液态金属泡沫结构的孔隙中，在-10℃~0℃下静置一段时间使液态金属硅橡胶混合物得到固化，即可得到抗电磁干扰的柔性压力传感器。

该步骤中，优选地，在5℃下将所述固态的液态金属泡沫结构放入矩形3D打印模具中。液态金属硅橡胶混合物的固化温度优选为5℃。较具体地，具有封装层的金属引线的制备方法如下：取一定量未固化的液态金属硅橡胶混合物灌注于预设内径的硅橡胶管内，再将金属线插入其中心位置，并在50℃下烘烤3小时，使得液态金属硅橡胶混合物完全固化，最后将所述硅橡胶管壁破坏，即可取出具有封装层的金属引线。硅橡胶管的内径可以根据金属引线的直径确定，例如可以为1mm。本实施例中，由于金属引线外表面包覆有作为封装绝缘材料的液态金属硅橡胶混合物，在将金属引线连接在液态金属泡沫框体上时，需要将金属引线两端的液态金属硅橡胶混合材料剥去，以裸露部分导体部分以实现连接。在金属引线表面包覆封装材料，可以进一步提高传感器的抗电磁干扰性能。

为了验证本发明实施例制备的柔性压力传感器的循环性能，本发明考察了以下两种工况下柔性压力传感器的循环性能：

参阅图4，在20g砝码作用下对其施加压力，考察柔性压力传感器对压缩形变的循环响应性能，从图中可以看出：压力导致传感器电阻为初始电阻的1.008倍，并具有较好的重复性，因此，柔性压力传感器能够快速感知外界压力并具有较好的重复性效果。

参阅图5，手指弯曲作用下，考察柔性压力传感器对弯曲形变的循环响应性能，其中R0代表本实施例中柔性压力传感器的初始电阻值，R代表受应力变化后的电阻值，从图中可以看出：手指弯曲引起的拉升力，可使传感器电阻变化达到2~3倍，因此，柔性压力传感器能够快速感知弯曲变形能力。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括：液态金属泡沫框体、柔性封装体和两根金属引线；其中，

所述液态金属泡沫框体具有由液态金属微米级骨架相互连接所构成的三维导电网络；

所述柔性封装体填充于所述液态金属泡沫框体中且渗透至所述液态金属泡沫框体的三维导电网络的孔隙中，用于封装所述液态金属泡沫框体并增强所述液态金属泡沫框体的抗电磁干扰能力；

两根所述金属引线分别连接在所述液态金属泡沫框体的两端，用于将所述液态金属泡沫框体连接至外部电路以测量所述液态金属泡沫框体的电阻。

2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，制备所述液态金属泡沫框体所选用的液态金属材料选自熔点在5℃~25℃的液态金属合金。

3.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述液态金属合金选自GaIn和GaInSn中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述液态金属泡沫框体的厚度在0.1mm-2mm的范围内，所述液态金属泡沫框体内部三维导电网络的孔隙率在70%-77%范围内，所述液态金属泡沫框体内部三维导电网络的平均孔径在20μm-500μm范围内。

5.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述液态金属泡沫框体内部三维导电网络的孔隙结构呈球形、矩形或编织形。

6.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性封装体的材质为硅橡胶材料与液态金属进行充分混合后形成液态金属硅橡胶混合物，其中，所述硅橡胶材料与液态金属的质量比为1~4:1；所述硅橡胶材料选自PDMS、Ecoflex以及SEBS中的至少一种。

7.根据权利要求3所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述金属引线的直径为0.01mm~0.5mm。

8.一种如权利要求1至7中任一项所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤（1），将孔隙直径为20μm-500μm的模板颗粒与水按照一定的质量比混合后压入框型3D打印模具中，制成多孔块状模板，并将其在-50℃的环境下冷冻干燥一段时间以去除水分；

步骤（2），将所述干燥后的多孔块状模板从模具中取出后放入含有液态金属的容器中，抽真空使液态金属渗透到多孔块状模板的孔隙中，随后在-20℃~10℃的水性溶剂中超声处理一段时间，直至所述多孔块状模板完全溶解并得到固态的液态金属泡沫，将其在-50℃的环境下冷冻干燥一段时间以去除水分；

步骤（3），将液态金属和未固化的硅橡胶按照预设质量比充分混合以得到未固化的液态金属硅橡胶混合物，并将其作为封装材料；

步骤（4），在-10℃~0℃的环境下，将所述固态的液态金属泡沫结构放入矩形3D打印模具中，将两根具有封装层的金属引线的接头分别插入液态金属泡沫结构的两端，随后向所述固态的液态金属泡沫结构中灌满未固化的液态金属硅橡胶混合物，抽真空直至液态金属硅橡胶混合物完全渗透到液态金属泡沫结构的孔隙中，在-10℃~0℃的环境下静置一段时间使液态金属硅橡胶混合物得到固化，即可得到抗电磁干扰的柔性压力传感器。

9.根据权利要求8所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，预设质量比为1~4:1。

10.根据权利要求8所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，具有封装层的金属引线的制备方法如下：

将一定量未固化的液态金属硅橡胶混合物灌注于预设内径的硅橡胶管内，再将金属线插入其中心位置，并在50-80℃下烘烤1-3小时，使得液态金属硅橡胶混合物完全固化，最后将所述硅橡胶管壁破坏，即可得到具有封装层的金属引线。

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