CN113203355A - 一种柔性应变传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性应变传感器及其制作方法，包括依次叠加的封装层、中间层和柔性基底；该中间层设有四组微通道，每组微通道内填充有液态金属构成电阻条，四个电阻条通过导线依次相连构成惠斯通电桥；封装层设有输入线路和输出线路，且分别与惠斯通电桥的输入端和输出端电性连接。本发明在柔性基底表面设计了一种惠斯通电桥结构，以液态金属作为导电介质，在实现良好拉伸性能的同时，也同样具有较高的灵敏度。

Description

一种柔性应变传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及应变传感器领域，特别是指一种柔性应变传感器及其制作方法。

背景技术

为了实现人体运动全面监测，许多应变传感器得到了广泛的研究。高灵敏度是检测人体生理活动如脉搏、心跳和呼吸频率等的必要条件，同时，良好的拉伸性是检测包括关节运动在内的大规模身体运动的基础。

然而，传感器的拉伸性和高灵敏度是相互矛盾的，高的拉伸性需要一个明显的结构变化而高灵敏度则要求在大变形的情况下保持形态的完整性，因此能够同时满足这两个性能指标的要求是一个难题。一般来说，要满足大范围人体活动检测的基本要求，应变传感器必须同时具备55％以上的良好拉伸性和在全工作范围内大于100的高灵敏度。

现有技术中的柔性传感器主要采用以下方式制备。

1.使用接触印刷法利用半导体纳米线依附于柔性材料制作成场效应晶体管，其源电极通过压敏橡胶接地，外部压力导致压敏电阻的导电性变化，从而改变晶体管的性质，通过检测输出信号的改变获得相应的负载。

2.利用碳纳米管喷涂于PDMS薄片形成矩形导电阵列制作了透明度良好的电容式传感器阵列，蜷曲的碳纳米管以及由其形成的网状结构使宏观的导线能够随着弹性材料的拉伸而伸长同时保证导电性。

3.借助导电纺织品，将其制作成柔性电极嵌入PDMS之中，上层单电极与底层四个电极分别产生电容，通过测量四个电容值的相对变化能够实现对多维力的探测。

4.以类似皮肤机械特性的多孔尼龙作为基质，在基体内电化学沉积聚吡咯作为导电掺杂剂，当载荷加载时，传感器的导电性会增加，以此测得外界载荷。

5.采用高弹性和耐用的伸缩螺旋电极，以PDMS作为主要的结构材料。制作高度扭曲的触觉传感器阵列。可以适应复杂的工作表面而不破坏该传感器结构和金属互连上的感知阵列。

虽然上述应变传感器具有一定的柔性，但是并不能做到真正的可拉伸，缺乏类似皮肤的柔弹性，仍表现出一定的刚性，会使人体产生一些不适应感，难以集成，极大的限制了测量的稳定性、精度和准确度。为实现应变传感器用于人体大范围活动检测，研究一种新型应变传感器的既具有高灵敏度又保证良好的拉伸性能具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的应变传感器具有一定的柔性，但是并不能做到真正的可拉伸的缺陷，提出一种柔性应变传感器及其制作方法。

本发明采用如下技术方案：

一种柔性应变传感器，其特征在于：包括依次叠加的封装层、中间层和柔性基底；该中间层设有四组微通道，每组微通道内填充有液态金属构成电阻条，四个电阻条通过导线依次相连构成惠斯通电桥；封装层设有输入线路和输出线路，且分别与惠斯通电桥的输入端和输出端电性连接。

优选的，包括有第一电阻条、第二电阻条、第三电阻条和第四电阻条，该第一电阻条和第三电阻条横向平行设置，该第二电阻条和第四电阻条纵向平行设置且分别位于第一电阻条和第三电阻条两侧；第一电阻条两端分别与第二电阻条和第四电阻条一端相连，第三电阻条两端分别与第二电阻条和第四电阻条另一端相连。

优选的，所述第一电阻条或第三电阻条与所述第二电阻条和第四电阻条相垂直。

优选的，所述微通道包括若干长通道和若干连接通道，该若干长通道为平行间隔分布，该连接通道连通相邻的两长通道；所述液态金属填充于该长通道和连接通道内。

优选的，所述液态金属为镓或镓铟锡合金。

优选的，所述镓铟锡合金中镓、铟、锡含量分别为61.5％、28.5％、10％。

优选的，所述封装层采用的材料是硅橡胶。

优选的，所述柔性基底采用的是硅橡胶。

优选的，所述中间层采用的是硅橡胶。

一种柔性应变传感器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤

1)采用3D打印制作具有四组微通道的转印模具；

2)将液态硅橡胶注入在转印模具中并进行固化，脱模后得到柔性基底和具有四组微通道的中间层；

3)将液态金属注入微通道中形成电阻条，通过导线依次连接四个电阻条构成惠斯通电桥；

4)在中间层表面制作封装层，在封装层上制作输入线路和输出线路且分别与惠斯通电桥的输入端和输出端电性连接。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明中，通过传感器受力的变形情况，在柔性基底表面设计了一种惠斯通电桥结构，结构新颖且以液态金属作为导电介质，在实现良好拉伸性能的同时，也同样具有较高的灵敏度。

2、本发明中，设置成第一电阻条和第三电阻条横向平行设置，该第二电阻条和第四电阻条纵向平行设置且分别位于第一电阻条和第三电阻条两侧，在横向、纵向上合理布局四个电阻条，确保传感器能感应各个方向的微小应变。

3、本发明中，每组微通道包括若干长通道和若干连接通道，该若干长通道为平行间隔分布，该连接通道连通相邻的两长通道，构成的电阻条于微小应变更加敏感，具有较高的灵敏度。

4、本发明中，液态金属可采用镓铟锡合金，其中镓铟锡含量分别为61.5％、28.5％、10％，具有熔点低，电阻率低，粘度低的性质。

附图说明

图1为本发明剖视图；

图2为本发明中间层结构图；

图3为本发明惠斯通电桥示意图；

其中：10、封装层，20、中间层，21、微通道，22、液态金属，23、长通道，24、连接通道，30、柔性基底，R_A、第一电阻条、R_B、第二电阻条，R_C、第三电阻条，R_D、第四电阻条，a负输出线路，b、负输入线路，c正输出线路，d负输入线路。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

参见图1至图3，一种柔性应变传感器，包括依次叠加的封装层10、中间层20和柔性基底；该中间层20设有四组微通道21，每组微通道21内填充有液态金属构成电阻条，四个电阻条通过导线依次相连构成惠斯通电桥；封装层10设有输入线路和输出线路，分别与惠斯通电桥的输入端和输出端电性连接。

其中，四组微通道21之间互不连通，液态金属与微通道21构成的四个电阻条形状相同，其排列方式可根据柔性基板的形状和大小进行调整，例如可以是沿柔性基板长度方向平行间隔纵向或横向排列，或者纵向和横向组合排列等。

优选的，包括有第一电阻条R_A、第二电阻条R_B、第三电阻条R_C和第四电阻条R_D，该第一电阻条R_A和第三电阻条R_C互相平行设置，该第二电阻条R_B和第四电阻条R_D平行设置且分别位于第一电阻条R_A和第三电阻条R_C两侧；第一电阻条R_A两端分别与第二电阻条R_B和第四电阻条R_D一端相连，第三电阻条R_C两端分别与第二电阻条R_B和第四电阻条R_D另一端相连。

进一步的，第一电阻条R_A和第三电阻条R_C可为横向排列，第二电阻条R_B和第四电阻条R_D可为纵向排列，第一电阻条R_A与第二电阻条R_B和第四电阻条R_D相垂直，第三电阻条R_C也与第二电阻条R_B和第四电阻条R_D相垂直。其中，本发明第一电阻条R_A、第二电阻条R_B，第三电阻条R_C和第四电阻条R_D的平面形状为矩形微通道21阵列结构。

另外，在中间层20上还可设置有惠斯通电桥的输入端和输出端，包括正输入端、负输入端、正输出端和负输出端；其中正输入端通过导线与第一电阻条R_A和第二电阻条R_B的相连端连接，负输入端通过导线与第三电阻条R_C和第四电阻条R_D的相连端连接。正输出端通过导线与第二电阻条R_B和第三电阻条R_C的相连端连接，负输出端通过导线与第一电阻条R_A和第四电阻条R_D的相连端连接。

具体的，每组微通道21设置成封闭的结构，其可包括若干长通道23和若干连接通道24，该若干长通道23为平行间隔分布，该连接通道24连通相邻的两长通道23，相邻的连接通道24可位于长通道23的同一侧或不同侧，液态金属填充于该长通道23和连接通道24内，且不外漏，优选的，每组微通道21可具有7条阵列排列的长通道23。

封装层10中，输入线路对应设有正输入线路和负输入线路，分别与正输入端和负输入端相连，输出线路对应设有正输出线和负输出线路，分别与正输出端和负输出端相连。

本发明的中，柔性基底和中间层20采用的是硅橡胶，该封装层10采用的材料也是硅橡胶，根据需要，柔性基底、中间层20和封装层10也可采用其他具备良好拉伸性能的材料。液态金属为镓铟锡合金。优选的，镓铟锡合金中镓铟锡含量分别为61.5％、28.5％、10％，具有熔点低，电阻率低，粘度低的性质。本发明中的导线、正输入线路、负输入线路可采用铜线等，也可采用其他导电材料制成导线。

本发明中的四个电阻条连接而成的惠斯通电桥是最基本的电阻元件。当电阻元件受到均匀的拉力时，第一电阻条R_A与第三电阻条R_C上的微通道21会被拉长，从而导致第一电阻条R_A与第三电阻条R_C电阻增加。相反，第二电阻条R_B与第四电阻条R_D受压导致其微通道21截面积增大，第一电阻条R_A与第三电阻条R_C电阻减少。若在器件的负输入线路b、正输入线路d之间接上直流偏置U_in，则可以在负输出线路a、正输出线路c之间得到输出电压U_out，该电压U_out与灵敏度GF分别为：

U_out＝△R/(R·U_in) (1)

GF＝(U_out-U₀)/U₀ (2)

其中，△R为发生应变时每组通道的电阻变化、R为该组通道初始电阻，U₀为负输出端a、正输出端c的初始电压，

在本发明中，采用惠斯通电桥结构，传感器经过预紧安装后仍能保持很小的初始电压U₀，同时在b、d之间得到微小应变引起的输出电压U_out的变化，具有很高的灵敏度与最低检测极限。

本发明还提出一种柔性应变传感器的制作方法，包括如下步骤：

1)采用3D打印制作具有四组微通道21的转印模具；具体的，3D打印时，可按照柔性基底和具有四组微通的中间层20的图形制作转印模具。其中，微通道21为封闭的结构，其可包括若干长通道23和若干连接通道24，该若干长通道23为平行间隔分布，该连接通道24连通相邻的两长通道23，连接通道24垂直于长通道23。

2)将液态硅橡胶注入在转印模具中并进行固化，脱模后得到柔性基底和具有四组微通道21的中间层20，该微通道21可预留预留矩形微槽。

3)将液态金属通过矩形微槽注入微通道21中形成电阻条，通过导线依次连接四个电阻条构成惠斯通电桥。

该步骤中，还可包括在中间层20上制作正输入端、负输入端、正输出端和负输出端的步骤，该正输入端、负输入端、正输出端和负输出端可用于引出铜导线，即输入线路和输出线路。

4)通过3D打印制作柔性应变传感器整体模具，将中间层20与柔性基底30放置其中，于该结构表面涂敷一层液态硅橡胶，在模具的固定下进行固化，完成封装层10的制作，由此将微通道21连同输入线路和输出线路一同封装。

在本发明中，通过传感器受力的变形情况，在柔性基底表面设计了一种惠斯通电桥结构，以液态金属作为导电介质，在实现良好拉伸性能的同时，也同样具有较高的灵敏度，并且对于微小应变更加敏感。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种柔性应变传感器，其特征在于：包括依次叠加的封装层、中间层和柔性基底；该中间层设有四组微通道，每组微通道内填充有液态金属构成电阻条，四个电阻条通过导线依次相连构成惠斯通电桥；封装层设有输入线路和输出线路，且分别与惠斯通电桥的输入端和输出端电性连接。

2.如权利要求1所述的一种柔性应变传感器，其特征在于：包括有第一电阻条、第二电阻条、第三电阻条和第四电阻条，该第一电阻条和第三电阻条横向平行设置，该第二电阻条和第四电阻条纵向平行设置且分别位于第一电阻条和第三电阻条两侧；第一电阻条两端分别与第二电阻条和第四电阻条一端相连，第三电阻条两端分别与第二电阻条和第四电阻条另一端相连。

3.如权利要求2所述的一种柔性应变传感器，其特征在于：所述第一电阻条或第三电阻条与所述第二电阻条和第四电阻条相垂直。

4.如权利要求1所述的一种柔性应变传感器，其特征在于：所述微通道包括若干长通道和若干连接通道，该若干长通道为平行间隔分布，该连接通道连通相邻的两长通道；所述液态金属填充于该长通道和连接通道内。

5.如权利要求1所述的一种柔性应变传感器，其特征在于：所述液态金属为镓或镓铟锡合金。

6.如权利要求1所述的一种柔性应变传感器，其特征在于：所述镓铟锡合金中镓、铟、锡含量分别为61.5％、28.5％、10％。

7.如权利要求1所述的一种柔性应变传感器，其特征在于：所述封装层采用的材料是硅橡胶。

8.如权利要求1所述的一种柔性应变传感器，其特征在于：所述柔性基底采用的是硅橡胶。

9.如权利要求1所述的一种柔性应变传感器，其特征在于：所述中间层采用的是硅橡胶。

10.一种柔性应变传感器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤

1)采用3D打印制作具有四组微通道的转印模具；

2)将液态硅橡胶注入在转印模具中并进行固化，脱模后得到柔性基底和具有四组微通道的中间层；

3)将液态金属注入微通道中形成电阻条，通过导线依次连接四个电阻条构成惠斯通电桥；

4)在中间层表面制作封装层，在封装层上制作输入线路和输出线路且分别与惠斯通电桥的输入端和输出端电性连接。

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