CN113074846B

CN113074846B - 一种基于结构超材料的微流道应力传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN113074846B
Application number: CN202110267898.9A
Authority: CN
Inventors: 潘泰松; 毛琳娜; 颜卓程; 姚光; 高敏; 林媛
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2041-03-12
Also published as: CN113074846A

Abstract

本发明提供一种基于结构超材料的微流道应力传感器及其制备方法，属于应力传感器制备技术领域。本发明设计的微流道应力传感器，在常规应力传感器的微流道下方增加一层为内凹六边形的柔性超结构网格层，使得传感器在受轴向拉伸时可以实现器件阻变趋势反转，统一了器件在全方向上的阻变趋势，并且提高了器件的应变系数。并且通过对内凹六边形网格的单元结构参数设计以及单元分布设计，调控负泊松比特性对微流道应力传感器的影响程度，从而使得器件可以实现对于沿管直径拉伸方向完全不敏感，即实现了轴向和横向方向的应力解耦，这对于器件只测量特定方向的应力信号提供了合理的设计方向。

Description

一种基于结构超材料的微流道应力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于应力传感器制备技术领域，具体涉及一种基于结构超材料的微流道应力传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，柔性力学传感器作为柔性电子器件的一个重要的组成部分已经引起了广泛的关注和研究，因其可以应用于可穿戴式器件、柔性机器人、电子皮肤、假肢和各种人机交互的领域中。针对于不同的领域，往往也需要设计各种具有不同功能特性的柔性力学传感器。

在各式各样的柔性力学传感器中，可以按照力学传感器的测试信号输出类型，将其大致分为三个类别，分别是阻变式、容变式以及压电式。此外，根据器件收到外界应力刺激时的变化机制，也可以将柔性力学传感器分为宏观应变和微观应变两种力电耦合类型。对于微观应变，主要是利用了材料本身的微观特性，比如微结构材料，导电织物，导电颗粒掺杂材料以及三维立体结构材料（导电泡沫，导电海绵等）；而在宏观应变类型中，基于柔性基底在受到外界力学刺激时的形变，进而改变器件的电学特性，将该类型器件划分为基底设计的柔性传感器、微流道应力传感器和蛇形线等特殊设计的应力传感器。

近年来，微流道应变传感器由于其优异的封装性、稳定性和可重复性，在众多的柔性应变传感器中脱颖而出。微流道应变传感器主要的工作原理在于其微流道在受到外界应力作用时发生形变从而产生阻变效应。然而，微流道应力传感器具有一定的方向性，在不同作用力的方向上，阻变会呈现相反的趋势，而柔性弹性材料的本征特性致使相互垂直的方向之间的力存在耦合作用，这也就导致了相互垂直的两个方向上的感应特性会相互影响。

在实际的柔性可穿戴器件的应用场景中，器件对于应力的测试往往是多方向甚至是全方向的，因此，如何使器件解除方向敏感性，统一器件的双向的阻变趋势，以及实现应力解耦从而提高柔性器件对信号的采集深度和广度成为一个待解决的问题。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于结构超材料的微流道应力传感器及其制备方法。本发明传感器通过嵌入结构超材料网格来控制微流道的形变趋势进而调控微流道在不同方向的阻变特性，实现在受轴向拉伸时的器件阻变趋势反转，统一了器件在全方向上的阻变趋势，并且提高了器件的应变系数。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于结构超材料的微流道应力传感器，从上至下依次为上层弹性聚合物层、导电石墨烯沟道、中层弹性聚合物层和底层弹性聚合物层，其特征在于，所述应力传感器还包括柔性超结构网格层，所述柔性超结构网格层由网格单元平铺得到，所述网格单元为内凹六边形，该柔性超结构网格层位于中层弹性聚合物层和底层弹性聚合物层之间。

进一步地，所述内凹六边形上下对称，包括上下两条等长的水平边和四条等长的斜边，水平边的两端分别各连接一条斜边，其中，斜边与竖直方向的夹角为

。

进一步地，斜边与竖直方向的夹角

优选范围为

。

进一步地，选取水平边与斜边的长度比例为1:1.56。

进一步地，水平边和斜边的长度比例固定时，水平边的宽度和斜边宽度的比例优选为1:1和2:1。

进一步地，上层弹性聚合物层的厚度为1mm~1.5mm，中层弹性聚合物层的厚度为100 μm~150 μm，底层弹性聚合物层的厚度为150 μm ~200 μm。

进一步地，所述上层弹性聚合物层、中层弹性聚合物层和底层弹性聚合物层的材料均为弹性橡胶Ecoflex，所述柔性超结构网格层的材料为聚酰亚胺（PI）。

一种基于结构超材料的微流道应力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1. 制备柔性超结构网格层，具体过程为：在柔性薄膜上采用激光切割形成内凹六边形网格；

步骤2.采用微流道模具制备上层弹性聚合物层和导电石墨烯沟道；

步骤3.采用旋涂法制备底层弹性聚合物层；

步骤4.将步骤1得到的柔性超结构网格层放置于步骤3得到的底层弹性聚合物层上表面，再用旋涂法制备中层弹性聚合物层，然后将步骤2得到的常规微流道结构放置于中层弹性聚合物层的上表面，再进行固化处理，得到应力传感器主体结构；

步骤5.在步骤4得到的应力传感器主体结构的微流道中填充单层石墨烯分散液，然后在微流道的两侧连接电极，即可得到所述的微流道应力传感器。

进一步地，步骤1中激光切割的参数为功率为1.3W~1.8W，切割次数为6至8次，频率为100kHz。

进一步地，步骤2中采用微流道模具制备的具体过程为：

步骤2.1. 将Ecoflex0030的A胶和B胶按照体积分数比例1：1为进行混合、搅拌，直至混合液由粘稠变为稀释；

步骤2.2. 使用3D打印制备常规微流道结构模具，然后清洗、烘干；

步骤2.3. 将步骤2.1得到的混合液倒入步骤2.2得到的模具中，静置后进行固化处理，即可得到上层弹性聚合物层和导电石墨烯沟道。

本发明的机理为：微流道应力传感器的电阻主要取决于微流道的形状，电阻计算公式为：

，其中，

为电阻率，

为微流道的长度，A为微流道截面积。因此，传感器的阻变特性主要由微流道长度(

)和截面积(A)决定。当器件沿着微流道长度方向拉伸时，微流道的长度会增加，截面积会减小，电阻随着拉伸而增大；同理，当器件沿着微流道的管直径方向拉伸（即轴向拉伸）时，微流道的长度会减小，截面积会增大，器件的电阻就会随拉伸而减小。当在微流道结构中嵌入具有负泊松比特性的柔性超结构网格层，可以使得微流道在受到管直径方向的拉伸时，微流道的长度方向不会随着拉伸而收缩，而是保持不变或者反向膨胀，这就使得器件的阻变趋势发生翻转，由原来的下降转变为增大；同时，由于内凹六边形网格具有各向异性特性，微流道传感器在沿长度方向拉伸方向时的阻变特性并未发生反转而是保持原有的增大趋势，因此利用这种超结构材料得到的微流道传感器可以实现对特定方向的阻变性能的调控。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1. 本发明设计的微流道应力传感器，在常规应力传感器的微流道下方增加一层为内凹六边形的柔性超结构网格层，使得传感器在受轴向拉伸时可以实现器件阻变趋势反转，统一了器件在全方向上的阻变趋势，并且提高了器件的应变系数。

2.本发明通过对内凹六边形网格的单元结构参数设计以及单元分布设计，调控负泊松比特性对微流道应力传感器的影响程度，从而使得器件可以实现对于沿管直径拉伸方向完全不敏感，即实现了轴向和横向方向的应力解耦，这对于器件只测量特定方向的应力信号提供了合理的设计方向。

附图说明

图1为本发明微流道应力传感器的结构示意图。

图2为本发明微流道应力传感器中柔性超结构网格层的网格单元结构示意图。

图3为超结构网格单元的负泊松比特性示意图。

图4为微流道沿长度方向（

）和沿管直径方向（

）上的拉伸示意图。

图5为本发明微流道应力传感器的实物图。

图6为本发明微流道应力传感器在不同的泊松比值下的理论阻变特性。

图7为本发明实施例1制备的微流道应力传感器的电学性能结果图；

其中，（a）为传感器沿长度方向拉伸时有无超结构的应变系数对比图；（b）为传感器沿沿管直径方向拉伸时有无超结构的应变系数对比图；（c）为传感器循环100次的阻变峰值变化曲线图；（d）为传感器的应变系数与超结构单元角度的关系示意图。

图8为本发明实施例1制备的微流道应力传感器的电学性能结果图；

其中，（a）为传感器沿长度方向拉伸时有无超结构的应变系数对比图；（b）为传感器沿沿管直径方向拉伸时有无超结构的应变系数对比图；（c）为沿长度方向拉伸时传感器的应变系数与超结构单元分布的关系示意图；（d）为沿管直径方向拉伸时传感器的应变系数与超结构单元分布的关系示意图。

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，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种基于结构超材料的微流道应力传感器，其结构示意图如图1所示，从上至下依次为上层弹性聚合物层、导电石墨烯沟道、中层弹性聚合物层、柔性超结构网格层和底层弹性聚合物层，所述柔性超结构网格层的网格单元为内凹六边形。

图2为柔性超结构网格层的网格单元结构示意图。从图中可以看出，网格单元为上下对称的内凹六边形，包括上下两条等长的水平边和四条等长的斜边，水平边的两端分别各连接一条斜边，与上下水平边连接的两条斜边相连，其中，水平边和与之相连的斜边之间的夹角小于90°。其中，网格单元的结构参数包括水平边长度h，水平边宽度W_h、斜边长度L、斜边宽度W_L、以及斜边与竖直方向的夹角

。图中，与两条斜边连接处相连的两条水平边为其它网格单元的水平边。

图3为本发明超结构网格单元的负泊松比特性示意图。当超结构受到x方向（沿微流道管长度方向）的大小为35%的拉伸时，内凹六边形结构的内凹角展开，同时斜边发生旋转，水平边同时向y方向移动，导致整体结构膨胀产生负泊松比。泊松比，也称横向变形系数，是柔性弹性体材料的一个表征机械特性的重要参数，它表征了材料在垂直作用力方向上的横向变形特性。泊松比

定义为作用力加载方向上材料的横向应变（

）和纵向应变（

）的比值的负数，即

。常见的弹性体材料，如橡胶，泊松比接近0.5。而负泊松比材料在变形过程中会出现反直觉的力学行为，在单轴拉力作用下，这类材料不会在横向发生收缩，反而沿横向膨胀。内凹六边形网格的负泊松比特性作用到微流道结构中，使得微流道的整体结构膨胀，在受到作用力拉伸时会出现横向膨胀的效果。其中，微流道结构在受到沿长度方向（

）和沿管直径方向（

）上的力进而拉伸时的示意图如图4所示。

实施例1

步骤1. 制备柔性超结构网格层，具体过程为：使用激光切割机（型号德龙 inducer-6001-N），在50µm厚的聚酰亚胺（PI）薄膜上激光切割形成内凹六边形网格；其中，水平边的长度h为1.54mm，宽度为1.2mm，斜边长度L为 2.4mm，宽度为1.2mm，斜边与竖直方向的夹角

分别为27°、33°、35°和45°，得到的柔性超结构网格层分别命名为frameA1、 frameB1、frame C1、frame D1；

步骤2.采用微流道模具制备上层弹性聚合物层和导电石墨烯沟道，具体过程为：

步骤2.1. 将Ecoflex0030的A胶和B胶按照体积分数1：1的比例为进行混合，搅拌，直至混合液由粘稠变为稀释；

步骤2.2. 使用3D打印制备常规微流道结构模具，将模具用无水乙醇清洗并放置于60℃的热源上烘干；

步骤2.3. 将步骤2.1得到的混合液倒入步骤2.2得到的模具中，静置待混合液自然摊平后，放置于60℃的烘箱中固化30分钟；

步骤3.制备底层弹性聚合物层：另取聚合物培养皿，将步骤2.1得到的混合液倒入培养皿中，然后将其放置在涂胶机上，以100rpm旋涂30秒，得到底层的Ecoflex薄膜；

步骤4.将步骤1得到的柔性超结构网格层放置于步骤3得到的底层弹性聚合物层上表面，然后在室温下自然固化1小时，使超结构网格层与底层弹性聚合物层固定，再次将培养皿放在涂胶机上，倒入步骤2.1得到的混合液，然后以500rpm的转速旋涂30秒，在PI超结构网格上表面制备一层Ecoflex薄膜（用于和微流道粘和，粘附层作用）；

步骤5.将步骤2得到的微流道结构的Ecoflex层贴合在步骤4得到的PI/Ecoflex薄膜的表面，然后将得到的整个结构放置在60℃的热源中固化30分钟，得到应力传感器主体结构；

步骤6.在步骤5得到的应力传感器主体结构的微流道中填充浓度为2mg/ml的单层石墨烯分散液，然后在微流道的两侧连接铜线作为电极，即可得到所述的微流道应力传感器。

本实施例制备的微流道应力传感器的实物图如图5所示。使用电动位移台和电学测试系统测试器件分别在沿管径方向和沿长度方向的拉伸时的电阻变化特性。传感器在不同的泊松比值下的理论阻变特性如图6所示，从图中可以看出，器件在沿管直径方向拉伸时，阻变趋势会受负泊松比效应的影响，即可以通过调节泊松比值的大小来实现阻变值的调控。

本实施例制备的微流道应力传感器的电学性能结果如图7所示。

图7（a）和7（b）分别为器件在沿微流道长度方向拉伸（

）和沿微流道管径方向拉伸（

）时不同应变范围内的器件灵敏度GF值，由此可见在加载了负泊松比网格后，微流道传感器在两种情况下的灵敏度都会增加，GF值都为正数，可以明显的看出，随着加载的拉伸量的增加，超结构网格的负泊松比特性的作用愈加明显，从而传感器的灵敏度GF值也会逐渐增加。如图7（b）为器件在沿微流道管径方向拉伸（

）15%的相对电阻变化趋势，相对于没有嵌入负泊松比网格的微流道器件，加载了负泊松比网格后，随着拉伸量的增加，器件的电阻变化从负的变化趋势转变为正的变化趋势，即得到正的应变系数并且随着拉伸的增加，超结构网格的负泊松比特性作用愈强；图7（c）为器件在循环拉伸100次时每次拉伸到最大值（15%）时的电阻变化的峰值，由此可见，微流道传感器在有无加载了负泊松比网格的情况下，都能保持很好的重复性，这也证实了加载了负泊松比网格的微流道传感器依旧可以保持很好的稳定性；图7（d）为不同结构参数的超结构网格对于器件的灵敏度的调制作用，随着负泊松比网格的角度的增加，网格的负泊松比特性会逐渐减弱，相应的器件的灵敏度 GF值也会逐渐的下降。

实施例2

按照实施例的步骤制备微流道应力传感器，调整步骤1中柔性超结构网格层的具体参数：斜边与竖直方向的夹角

为27°，保持水平边和斜边的长度比为1:1.56不变，当斜边长度h为2.4mm时，水平边和斜边的宽度比值分别为1：1（宽度分别为1.2mm和1.2mm）和1：2 （宽度分别为0.6mm和1.2mm），得到的柔性超结构网格层分别命名为frameA1、frameA2。此外，保持长度比例不变，设定斜边的长度为 1.2mm，水平边和斜边的宽度比值依次为1：1（宽度分别为0.6mm和0.6mm）和1: 2 (宽度分别为0.6mm和1.2mm)，分别命名为frameA3、 frameA4，

其他步骤不变，其中，本实施例中的frameA1的参数和实施例1中的frameA1参数相同。

本实施例制备的微流道应力传感器的电学性能结果如图8所示。图8（a）和（b）为微流道器件在分别受到

和

作用时，在不同应变范围内的器件灵敏度GF值变化趋势；由图 8（b）表明，在进一步的调控网格单元的分布后，可以减小网格的负泊松比特性，甚至可以得到零泊松比效应，即横向应变不随轴向拉伸的变化而变化。图8 (c)和(d)分别为加载的超结构网格的不同结构参数的设计对于器件的灵敏度的影响。相对于调整水平边和斜边的宽度比例，单元大小对于网格的负泊松比特性的调整作用更加明显。在宽度比例为1：1的情况，缩小单元大小，即网格变得更加密集，由图8(c)(d)看出，相对于其他参数下的网格，此时的微流道传感器在两种情况下的应变系数都为最大值，这也进一步的反应了基于单元大小的网格设计对于传感器的调控作用更加明显；

因此，本发明设计的微流道应力传感器可以通过加载超结构网格打破固有的的阻变的各向异性，得到在

和

两种拉伸情况下都是正的阻变特性和灵敏度GF值；并且在保持了器件的稳定性和可重复性的前提下，使得微流道应力传感器的灵敏度提升，最高有6倍的变化(frameA1)。通过调控内凹六边形的单元分布，可以得到泊松比为零的超结构 (frameA4)，这种零泊松比效应可以有效实现微流道应力传感器在横向和轴向的应力解耦。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种基于结构超材料的微流道应力传感器，从上至下依次为上层弹性聚合物层、导电石墨烯沟道、中层弹性聚合物层和底层弹性聚合物层，其特征在于，所述应力传感器还包括柔性超结构网格层，所述柔性超结构网格层的网格单元平铺得到，所述网格单元为内凹六边形，该柔性超结构网格层位于中层弹性聚合物层和底层弹性聚合物层之间。

2.如权利要求1所述的微流道应力传感器，其特征在于，所述内凹六边形上下对称，包括上下两条等长的水平边和四条等长的斜边，水平边的两端分别各连接一条斜边，其中，斜边与竖直方向的夹角为