CN112432589B - 一种并联式柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联式柔性应变传感器及其制备方法，并联式柔性应变传感器包括结构层和被封装在结构层上的若干导电聚合线路，所述结构层在背离导电聚合线路的背面设有呈阵列分布的凸起拉胀结构，所述导电聚合线路顺着结构层上的拉胀结构应变方向布置，所有导电聚合线路并联连接在两组导电胶之间，并通过导电胶引出传感器导线。本发明在制备并联式柔性应变传感器的制备方法中，通过在导电聚合线路固化过程中施加直流高压电场，诱导碳纳米导电微粒在聚合物中的取向，形成更多导电通路，从而大幅提高应变传感器的灵敏度。

Description

一种并联式柔性应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性应变传感器技术，具体涉及一种并联式柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，由于柔性应变传感器具有精度高、测量范围广、寿命长、频率响应特性好等优点，所以得到了广泛的重视和发展。柔性应变传感器是一种依靠电阻应变作为转换元件的电阻式传感器，其主要有两种制备方法，分别为采用导电传感膜与柔性基底耦合的方式和采用导电聚合线路复合制备的方式。其中，采用导电聚合线路复合制备的方式不仅容易操作，而且可以控制传感器的机电性能，故而是制备柔性应变传感器的理想方法。这种方法中的导电聚合线路内的导电介质是导电纳米微粒，例如：石墨烯、炭黑、碳纳米管等，这些导电纳米微粒具有结晶度高、力学及电学性能优良和比表面积大等优点，因此更适合制备柔性应变传感器。

现有的制备柔性应变传感器的技术，会存在因为碳纳米材料分布不均且无规则排列，而无法达到既定灵敏度，从而浪费原材料的问题。而且，还会存在导电聚合线路导电率太低和检测电流太微弱的问题。另外，还存在使用寿命短和导电聚合线路应变率低的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有柔性应变传感器存在的碳纳米材料存在的上述问题，提供一种并联式柔性应变传感器及其制备方法。

本发明采用如下技术方案实现：

一种并联式柔性应变传感器，包括结构层和被封装在结构层上的若干导电聚合线路，所述结构层在背离导电聚合线路的背面设有呈阵列分布的凸起拉胀结构，所述导电聚合线路顺着结构层上的拉胀结构应变方向布置，所有导电聚合线路并联连接在两组导电胶之间，并通过导电胶引出传感器导线。

上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，两组所述导电胶设置在结构层上的拉胀结构应变方向两端，所有导电聚合线路的两端分别与两组导电胶搭接。

上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，所述结构层上还叠设有封装层，所述导电聚合线路封装于结构层和封装层之间。

本发明还公开了一种并联式柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1：在模具凹槽内均匀涂覆第一柔性基底液，放入恒温箱中固化形成结构层；

S2：在固化的结构层表面布设导电聚合线路；

S3：将模具放入高压直流电场，使导电聚合线路沿电场线方向静置20～40min，然后放入恒温箱中将导电聚合线路固化；

S4：用导电胶将结构层上的所有导电聚合线路两端并联连接，并且将导电胶引出连接导线；

S5：待导电胶固化后，在结构层设置导电聚合线路的一面涂覆第二柔性基底液，放入恒温箱中固化实现传感器封装；

S6：脱模后得到并联式柔性应变传感器。

上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，所述步骤S1中，所述模具中设置拉胀结构凹模，对结构层上的凸起拉胀结构直接成型。

上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，在步骤S2中，在固化的结构层采用3D打印导电聚合线路，具体步骤如下：将碳纳米材料混合液装入注射器中，以模具中固化的结构层为基底，通过3D打印机在结构层表面直接打印导电聚合线路。

上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，所述碳纳米材料混合液由碳纳米材料和柔性基底液混合制成，所述碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、碳黑中的一种或多种，质量分数为3wt%～4wt%。

上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，所述步骤S3中，所述高压直流电场的强度为2000V/cm。

上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，在步骤S4中，所述导电胶为导电银胶，导线为铜丝。

在本发明的一种并联式柔性应变传感器的制备方法中，所述第一柔性基底液和第二柔性基底液为热塑性聚氨酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明提供的柔性应变传感器，制备工艺合理，尺寸可以根据需求改变，可以做的很轻薄，导电聚合线路是封装在柔性基底内部的，所以不存在脱落风险，防水防尘，可以在酸、碱等多种复杂环境下使用。可以用于人体可穿戴传感器方面，应用范围面广泛，有非常好的应用前景，为柔性传感器的制备提供一种新的思路。

二、本发明提供的柔性应变传感器，内部的导电聚合线路中的碳纳米材料可以在电场的诱导下实现顺着电场方向的有序排列，因此，仅需少量碳纳米材料既可实现导电聚合线路有序的导电通路，3D直写式打印的工艺可以进一步让导电聚合线路在柔性基体上均匀分布，制造也更加快捷且多样化，进而达到大幅节省原材料和提高传感器灵敏度的效果。

三、本发明提供的柔性应变传感器，作为电极的导电胶与导电聚合线路的连接方式为并联连接，这种并联连接可以通过减小聚合物的电阻，进而改善碳纳米聚合物导电率低的问题，相应地也增大了检测电流，使传感器的信号传递更为准确。

四、本发明提供的柔性应变传感器，结构层外侧设有呈阵列分布的凸起纹路作为传感器的应变拉胀结构，可以改善传感器拉伸时的变形不均的现象，增强传感器使用的可靠性，增加使用寿命；这种结构还可以通过增加横向应变，从而增大导电聚合线路的应变率。

综上所述，本发明提供的一种并联式柔性应变传感器及其制备方法，通过在导电聚合线路固化过程中施加直流高压电场，诱导碳纳米导电微粒在聚合物中的取向，从而大幅提高应变传感器的灵敏度。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例一的并联式柔性应变传感器外部示意图。

图2为实施例一的并联式柔性应变传感器内部导电聚合线路示意图。

图3为实施例二和实施例三的并联式柔性应变传感器的制备工艺流程示意图。

图4是本发明实施例二制备的柔性传感器的灵敏度检测图。

图5是本发明实施例三制备的柔性传感器的灵敏度检测图。

图中标号：1-结构层，101-折线凸筋，102-直线凸筋、2-封装层、3-导电聚合线路、4-导电胶、5-导线、6-模具、7-第一柔性基底液、8-3D打印机、9-碳纳米材料混合液、10-电场、11-第二柔性基底液。

具体实施方式

实施例一

参见图1和图2，图示中的并联式柔性应变传感器为本发明的一种具体实施方案，具体包括结构层1、封装层2、导电聚合线路3、导电胶4和导线5，其中结构层1为传感器本体结构，其在载荷作用下产生应变，导电聚合线路3封装布置在结构层1上，通过导线5引出连接到检测电路上，结构层1产生的应变带动导电聚合线路3的拉长或缩短变化，产生电阻应变，使传感器接入的检测电路电流发生变化，进而达到对应变进行检测的目的。

如图1中所示，本实施例的结构层1在背离导电聚合线路的表面上设置呈阵列分布的凸起拉胀结构，拉胀结构包括若干与结构层1表面一体设置的凸筋，凸筋包括若干条沿第一方向蜿蜒分布的折线凸筋101，以及沿第二方向将相邻折线凸筋之间连接的直线凸筋102，相邻的折线凸筋101之间对称设置，直线凸筋102将相邻折线凸筋101之间较远的拐点之间进行连接，形成平面拉胀结构，沿直线凸筋102的第二方向为拉胀结构的应变方向，通过沿直线凸筋102的第二方向拉伸结构层1时，使结构层1在第一方向产生向两侧膨胀的趋势，或者沿直线凸筋102的第一方向压缩结构层1时，使结构层1在第一方向产生向中间压缩的趋势，放大结构层1收到负载时产生的应变，提高传感器1的灵敏度。

如图2中所示，本实施例的结构层1上布置四条导电聚合线路3，四条导电聚合线路3长度相等，按照M形轨迹首尾相连地布置在结构层1表面上，所有导电聚合线路3的端部对齐分布在结构层1的直线凸筋第二方向两侧，同一侧的所有导电聚合线路3端部通过同一导电胶4搭接，所有导电聚合线路3的两端分别与两组导电胶4搭接，将所有导电聚合线路3并联连接在两组导电胶4之间，导电胶4通过引出连接传感器导线5，作为传感器的外接导线。

实际应用中，所有导电聚合线路3顺着结构层上的拉胀结构应变方向布置，可以将所有导电聚合线路3平行于结构层1的直线凸筋第二方向布置。在本实施例中，为了便于导电聚合线路3通过3D打印一次成型，四条导电聚合线路3之间按照首尾相连的M形轨迹布置，相邻两条导电聚合线路3中间的夹角为12°，并且以结构层1的直线凸筋第二方向对称，即所有导电聚合线路3与第二方向之间的夹角只有6°，实际应用中不超过该角度可以看作导电聚合线路仍是顺着结构层的拉胀结构应变方向布置。

在导电聚合线路3、导电胶4和导线5在结构层1上布置好之后，通过封装层2叠装在结构层1上将导电聚合线路3和结构层1进行封装。

实施例二

如图3所示，本实施例的并联式柔性应变传感器的制备方法具体包括以下步骤：

S1：按照固化剂B剂：聚二甲基硅氧烷A剂=1:10的质量比，配置第一柔性基底液，固化剂B剂为聚二甲基硅氧烷A剂是配套使用的常用固化剂。在模具6凹槽内均匀涂覆一层第一柔性基底液7，放入100℃恒温箱中固化40min，形成结构层1，模具6中设置拉胀结构凹模，对结构层上的凸起拉胀结构直接成型。

S2：将碳纳米材料、异丙醇和聚二甲基硅氧烷A剂放入烧杯中混合，异丙醇这里的作用是稀释剂，为了更好地分散碳纳米材料，将混合液超声波分散30min，90℃水浴状态下磁力搅拌2h，然后加入固化剂B剂，搅拌后得到碳纳米材料混合液，最后所配置的碳纳米材料混合液中，碳纳米材料为4wt%，聚二甲基硅氧烷A剂为87.3wt%，固化剂B剂8.7wt%。将配置的碳纳米材料混合液9装入注射器中，利用3D打印机8，在固化的结构层1表面打印出M型轨道导电聚合线路3，其中3D打印机8的针头直径为0.4mm，打印头速度控制在1mm/s。

S3：将模具6放入2000V/cm高压直流电场10中静置40min，电场10的方向与结构层上的拉胀结构应变方向一致，然后放入130℃恒温箱中固化30min。

S4：用导电胶4将M型轨道导电聚合线路3两端与导线5连接，其中导电胶3为导电银胶，导线5为铜丝，导线5与M型轨道导电聚合线路3的连接方式为并联连接。

S5：待导电胶4干燥后，在M型轨道导电聚合线路3表面涂覆一层第二柔性基底液11，第二柔性基底液与第一柔性基底液为相同组分，放入100℃恒温箱中固化40min，形成封装层2，实现传感器封装。

S6：脱模，得到基于电场的并联式柔性应变传感器。

对本实施例制备的柔性应变传感器进行灵敏度测试，结果表明应变传感器的灵敏度指标GF=51.2（10%<∆ε<30%）（GF=(（R-R0）)/(R0 ∆ε)，其中R表示变形前电阻、R0表示变形后电阻、∆ε表示应变），如图4中虚线所示。因为在电场的诱导下，导电聚合线路中的碳纳米材料实现顺着电场方向的有序排列，所以仅需少量碳纳米材料即可实现有序的导电通路，进而大幅提升传感器灵敏度。与不放电场应变传感器的对比，可以看出灵敏度提高了15倍。

实施例三

重复实施例二中的制备方法，但是步骤S2中，配置的碳纳米材料混合液中碳纳米材料占3wt%；步骤S3中，将模具放入2000V/cm高压直流电场中静置20min。

对本实施例制备的柔性应变传感器进行灵敏度测试，结果表明应变传感器的灵敏度指标GF=58.4（10%<∆ε<30%），如图5中点划线所示。因为在电场的诱导下，导电聚合线路中的碳纳米材料实现顺着电场方向的有序排列，所以仅需少量碳纳米材料即可实现有序的导电通路，进而大幅提升传感器灵敏度。与不放电场应变传感器的对比，可以看出灵敏度提高了16倍。

对比例一

重复实施例二中的制备方法，但在步骤S2中，将模具放入2000V/cm高压直流电场中静置20min。对本对比例制备的柔性应变传感器进行灵敏度测试，结果表明应变传感器的灵敏度指标GF=18.5（10%<∆ε<30%），如图4中点划线所示。因为在电场中静置的时间只有实施例二的一半，所以碳纳米材料的排列并没有整体有序化排列，灵敏度也受到一定影响。

对比例二

重复实施例二中的制备方法，但在步骤S2中，将模具不放入高压直流电场中静置。对本对比例制备的柔性应变传感器进行灵敏度测试，结果表明应变传感器的灵敏度指标GF=3.5（10%<∆ε<30%），如图4中实线所示。因为没有在电场中静置，所以碳纳米材料的排列处于无序化的状态，和实施例二中的灵敏度有着明显的差别。

对比例三

重复实施例二中的制备方法，但在步骤S2中，将模具放入2000V/cm高压直流电场中静置60min。对本对比例制备的柔性应变传感器进行灵敏度测试，结果表明应变传感器的灵敏度指标GF=0.5（10%<∆ε<30%）。因为放入电场的时间过长，碳纳米材料有序化排列之后继续向电场移动，导致碳纳米材料集中在传感器的两端，而中间部分的碳纳米材料很少，严重影响其灵敏度。

对比例四

重复实施例三中的制备方法，但在步骤S2中，将模具不放入高压直流电场中静置。对本对比例制备的柔性应变传感器进行灵敏度测试，结果表明应变传感器的灵敏度指标GF=3.6（10%<∆ε<30%），如图5中实线所示。因为没有在电场中静置，所以碳纳米材料的排列处于无序化的状态，和实施例三中的灵敏度有着明显的差别。

对比例五

重复实施例二中的制备方法，但在步骤S2中，将模具放入2000V/cm高压直流电场中静置40min。对本对比例制备的柔性应变传感器进行灵敏度测试，结果表明应变传感器的灵敏度指标GF=0.4（10%<∆ε<30%），如图5中虚线所示。因为放入电场的时间过长，碳纳米材料有序化排列之后继续向电场移动，导致碳纳米材料集中在传感器的两端，而中间部分的碳纳米材料很少，严重影响其灵敏度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种并联式柔性应变传感器，其特征在于：包括结构层和被封装在结构层上的若干导电聚合线路，所述结构层在背离导电聚合线路的背面设有呈阵列分布的凸起拉胀结构，所述导电聚合线路顺着结构层上的拉胀结构应变方向布置，所有导电聚合线路并联连接在两组导电胶之间，并通过导电胶引出传感器导线；所述结构层上还叠设有封装层，所述导电聚合线路封装于结构层和封装层之间；所述结构层和所述凸起拉胀结构一体成型；两组所述导电胶设置在结构层上的拉胀结构应变方向两端，所有导电聚合线路的两端分别与两组导电胶搭接；结构层上布置有四条导电聚合线路，四条导电聚合线路长度相等，按照M形轨迹首尾相连地布置在结构层表面上，相邻两条导电聚合线路中间的夹角为12°。

2.一种并联式柔性应变传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：在模具凹槽内均匀涂覆第一柔性基底液，放入恒温箱中固化形成结构层和凸起拉胀结构；

S2：在固化的、远离凸起拉胀结构的结构层表面布设导电聚合线路；

S3：将模具放入高压直流电场，使导电聚合线路沿电场线方向静置20～40min，然后放入恒温箱中将导电聚合线路固化；

S4：用导电胶将结构层上的所有导电聚合线路两端并联连接，并且将导电胶引出连接导线；

S5：待导电胶固化后，在结构层设置导电聚合线路的一面涂覆第二柔性基底液，放入恒温箱中固化得到封装层，以实现传感器封装；

S6：脱模后得到权利要求1所述的并联式柔性应变传感器。

3.根据权利要求2所述的一种并联式柔性应变传感器的制备方法，所述步骤S1中，所述模具中设置拉胀结构凹模，对结构层上的凸起拉胀结构直接成型。

4.根据权利要求3所述的一种并联式柔性应变传感器的制备方法，在步骤S2中，在固化的结构层采用3D打印导电聚合线路，具体步骤如下：将碳纳米材料混合液装入注射器中，以模具中固化的结构层为基底，通过3D打印机在结构层表面直接打印导电聚合线路。

5.根据权利要求4所述的一种并联式柔性应变传感器的制备方法，所述碳纳米材料混合液由碳纳米材料和柔性基底液混合制成，所述碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、碳黑中的一种或多种，质量分数为3wt%～4wt%。

6.根据权利要求3所述的一种并联式柔性应变传感器的制备方法，所述步骤S3中，所述高压直流电场的强度为2000V/cm。

7.根据权利要求4所述的一种并联式柔性应变传感器的制备方法，在步骤S4中，所述导电胶为导电银胶，导线为铜丝。

8.根据权利要求4-7中任一项所述的一种并联式柔性应变传感器的制备方法，所述第一柔性基底液和第二柔性基底液为热塑性聚氨酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷中的一种。

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