CN113237420A - 一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器及其制备方法，一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器，其特征在于包括柔性结构体和薄膜导电层；在柔性结构体表面沿纵向轴线开设有纵向通孔，沿横向轴线开设有长方形缺口。纵向通孔和长方形缺口中均填充柔性材料。本发明通过拉伸结构体从而促使薄膜导电层膨胀放大，使得导电敏感材料形成的导电网络变少程度提高，导致其电阻值变化量增大。从而提高柔性电阻式应变传感器的灵敏度。本发明制备工艺流程简单快速，且可行性高。

Description

一种高灵敏度柔性电阻式应变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，具体来说是一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，柔性电阻式应变传感器成为可穿戴电子设备的关键部件之一，在电子皮肤设备、健康监测系统和智能机器人等多种应用中以获取实时机械反馈，采集人体的各种生理信号或感知不同的环境刺激，并具有识别细微压力及其分布的功能。

柔性电阻式应变传感器的基本工作原理是通过受力改变导电敏感材料形成的导电网络数量，使其电阻值发生变化。通常，柔性电阻式应变传感器是将导电敏感材料薄膜涂覆在弹性衬底或基体上制成的，应变传感器必须在两个关键参数上表现出优异的性能:灵敏度和可拉伸性，尤其是灵敏度，因为它可以精确地检测到细微的运动，传感器的敏感性能取决于导电敏感材料和衬底材料的优化。目前在这两种优化方法在灵敏度增强方面取得了渐进的进展，但灵敏度仍然是有限的，其主要原因是弹性体基底在纵向(横向)拉伸作用下的横向(纵向)压缩，灵敏度主要是由敏感材料的分离程度决定的，然而一般弹性材料基底的泊松比为0.5左右，横向压缩使敏感材料被挤压，减小分离程度，一定程度上补偿了纵向拉伸的分离，导致灵敏度提高程度受限。

发明问题

本发明所要解决的技术问题是：提供一种柔性基底呈现等效负泊松比的柔性电阻式应变传感器结构，实现传感器灵敏度的提高。

本发明提出了一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器，包括柔性结构体和薄膜导电层；在柔性结构体表面沿纵向轴线开设有纵向通孔，沿横向轴线开设有长方形缺口，长方形缺口与纵向通孔之间存在间隔，所述长方形缺口包括第一长方形缺口和第二长方形缺口，第一长方形缺口和第二长方形缺口位于纵向通孔两侧，且关于纵向通孔对称设置；长方形缺口的开口位于柔性结构体侧面。

所述纵向通孔、第一长方形缺口和第二长方形缺口在柔性结构体表面均为长方形结构。

纵向通孔、第一长方形缺口和第二长方形缺口中均填充柔性材料。

薄膜导电层位于纵向通孔中柔性填充材料的表面，且位于第一长方形缺口和第二长方形缺口的连线上，薄膜导电层宽度与纵向通孔的宽度相同。

进一步的，柔性结构体采用的柔性材料比纵向通孔和长方形缺口中的柔性填充材料硬度高，也就是柔性结构体采用弹性模量相对高的材料，柔性填充材料为弹性模量相对低的材料。

进一步的，柔性结构体材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚氨酯(PU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚萘酯(PEN)等，柔性填充材料为Ecoflex硅橡胶、水凝胶等

进一步的，第一长方形缺口和第二长方形缺口的连线与纵向通孔垂直。

进一步的，所述柔性结构体表面还开设有长方形斜通孔，所述长方形斜通孔共有4个，对称分布在薄膜导电层的四周；相邻的两个长方形斜通孔关于纵向通孔或长方形缺口对称；斜通孔的宽度比纵向通孔和长方形缺口都小，斜通孔的长边方向与相邻的长方形缺口之间的夹角为锐角。

进一步的，所述斜通孔的长边方向与长方形缺口方向之间的夹角为60度；

一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

第一步：制备柔性结构体材料溶液、以及用于填充纵向通孔和长方形缺口中的柔性填充材料溶液，并在真空中抽气干燥备用。

第二步：制作两个模具，第一模具和第二模具，第一模具包括表面开设有长方形凹槽的底座、以及位于凹槽中的纵向凸块和横向凸块；所述凸块均为长方体结构，横向凸块包括第一横向凸块和第二横向凸块，分别设置在纵向凸块的两侧，关于纵向凸块对称，且第一横向凸块和第一横向凸块的一端均与凹槽的侧面贴合；

所述纵向凸块和横向凸块的高度相同，且与凹槽深度相同或小于凹槽深度。

第二个模具设置有与第一模具尺寸相同的凹槽。

第三步：将柔性结构体溶液填入第一模具中，溶液高度与凸块高度平齐或低于凸块高度，加热固化，形成柔性结构体，与第一模具剥离备用；纵向凸块和横向凸块在柔性结构体相应的位置分别形成了纵向通孔和长方形缺口；

第四步：将第三步制作的柔性结构体放入第二模具中，再将柔性填充材料溶液填满纵向通孔和长方形缺口，并加热固化。

第五步：待柔性填充材料溶液完全固化时，在纵向通孔中的柔性填充材料表面制作薄膜导电层，所述薄膜导电层位于长方形缺口的延长线上，并在薄膜导电层两端接电极，制得高灵敏度柔性电阻式应变传感器。

进一步的，步骤二中，所述第一模具凹槽中还设置有斜向凸块，所述斜向凸块有四个，对称分布在凹槽中，相邻的两个斜向凸块关于纵向凸块或横向凸块对称，斜向凸块与相邻的横向凸块成锐角。

有益效果：本专利提出的具有优化型拉胀结构的柔性基底结构可以有效的提高传感器的灵敏度，并可通用于薄膜式柔性电阻式应变传感器，在现有技术中，鲜有通过调控柔性基底泊松比提高柔性电阻式应变传感器的通用型方案。本专利提出的结构可以提高传感器灵敏度的原因是，当受到外力纵向拉伸时，长方形缺口开口端分别向拉伸方向展开进而旋转带动纵向通孔沿横向扩张，与其相连的柔性填充材料横向膨胀，同时纵向通孔在拉伸作用下使中心柔性基底纵向拉伸，其表面导电层横向纵向均产生膨胀，导电敏感材料分离程度增加，导电网络减少程度增加，电阻值变化增强，灵敏度增加；另外，在受到相同纵向拉伸应变时呈中心对称分布的四个斜通孔受力弯曲可以增加纵向通孔中心两侧长边的应力，在一定程度上增加中心纵向通孔柔性填充材料的横向膨胀，提高薄膜导电层形变量，进一步使得导电网络减少程度增加，电阻值变化增强，进一步提高柔性传感器灵敏度。在相同拉伸应变条件下，本发明提出的具有柔性填充材料结构的柔性电阻式应变传感器的灵敏度高于传统柔性电阻式应变传感器。

附图说明

图1为本发明柔性电阻式应变传感器的结构俯视图；

图2为第一模具结构图；

图3为第二模具结构图；

图4为COMSOL软件仿真本发明柔性电阻式应变传感器受到纵向拉伸应变图；

图5为COMSOL软件仿真不具有柔性填充材料结构的柔性电阻式应变传感器受到纵向拉伸应变图；

图6为本发明柔性电阻式应变传感器制备流程图；

图中：1、柔性结构体；2、长方形缺口；21、第一长方形缺口；22、第二长方形缺口；3、纵向通孔；4、斜通孔；5、薄膜导电层；6、第一模具；7、第二模具；61、纵向凸块；62、横向凸块；63、斜向凸块。

具体实施方式

为使本发明更加易懂，下面结合说明书附图和具体实施例，对本发明作进一步的解释。如图1所示，图中坐标x的方向为柔性电阻式应变传感器的横向，坐标y的方向为柔性电阻式应变传感器的纵向。

一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器，包括柔性结构体1和薄膜导电层5。

所述柔性结构体1为薄膜结构，在柔性结构体1表面沿纵向轴线开设长方形纵向通孔3，沿横向轴线开设长方形缺口2，长方形缺口2与纵向通孔3之间存在间隔，所述长方形缺口2包括第一长方形缺口21和第二长方形缺口22，第一长方形缺口21和第二长方形缺口22位于纵向通孔3两侧，且关于纵向通孔3对称设置；长方形缺口2的开口与柔性结构体1的边对齐。

纵向通孔3、第一长方形缺口21和第二长方形缺口22中均填充柔性材料。

薄膜导电层5位于纵向通孔3中柔性填充材料的表面，且位于所述柔性填充材料表面的中心位置，薄膜导电层5宽度与纵向通孔3的宽度相同。薄膜导电层5厚度极小可忽略不计。

所述柔性结构体1材料比纵向通孔3和长方形缺口2中的柔性填充材料硬度都高，柔性结构体1采用为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚氨酯(PU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚萘酯(PEN)等弹性模量相对高的材料，柔性填充材料为Ecoflex硅橡胶、水凝胶等弹性模量相对低的材料，且两者材料的相容性要好，确保在拉伸时柔性结构体1与填充的柔性材料紧密接触，不易分离，并且其成本低，拉伸性能优异且耐腐蚀性好。

薄膜导电层5由碳纳米管、石墨烯纳米片、炭黑、纳米银线或导电纳米材料制成，其导电性能好，且制备导电层工艺简单。

所述柔性结构体1为薄膜结构，且其上还开设有长方形斜通孔4，所述长方形斜通孔4共有4个，对称分布在薄膜导电层5的四周；相邻的两个长方形斜通孔4关于纵向通孔3或长方形缺口2对称；斜通孔4的长边方向与相邻的长方形缺口2之间的夹角为锐角；

斜通孔4的宽度比纵向通孔3和长方形缺口2都小。在受到纵向拉伸时长方体斜通孔4更易变形弯曲可以提高纵向通孔3中心两侧长边所受应力大小，增加了薄膜导电层5的横向形变量，从而提高灵敏度。

所述斜通孔4的长边方向与长方形缺口2方向之间的夹角为60度；由于受纵向力拉伸时的弯曲带动纵向通孔3长边扩张，经仿真结果得出当角度为60度时可以一定程度上增加薄膜导电层5的形变量，且效果最佳，灵敏度最高。

使用上述实施例的柔性电阻式应变传感器时，传感器受到外力纵向拉伸时，图1中柔性结构体1中的两个长方形缺口2长边分别向两侧拉伸方向转动，导致长方形缺口2扩展，进而旋转带动纵向通孔3长边沿横向扩张，如图4所示，与其相连的柔性填充材料受到纵向通孔3长边扩张力而横向膨胀，同时纵向通孔3在纵向拉伸作用下使纵向通孔3中心柔性填充材料亦纵向拉伸，因此其表面薄膜导电层5横向纵向均产生膨胀，形变量增大，如图4所示，敏感材料分离程度增加，灵敏度大大增加；另外，在受到相同纵向拉伸应变时呈中心对称分布的四个斜通孔4受力弯曲可以增加纵向通孔3中心两侧长边的应力，在一定程度上增加中心纵向通孔3柔性填充材料的横向膨胀，提高薄膜导电层5形变量，进一步提高柔性传感器灵敏度。

纵向通孔3和长方形缺口2的长宽比都尽量大，即孔越细其中心形变量越大，然而越细越容易受力拉伸断裂且制作难度增加，因此在选取实际长宽比时需衡量拉伸范围与灵敏度两者比重。

COMSOL软件仿真传感器受拉伸应变时位移变化对比，如图4和5所示。图4为本专利具有柔性填充材料结构的柔性电阻式应变传感器受到纵向拉伸应变图，图5为不具有柔性填充材料结构的柔性电阻式应变传感器受到纵向拉伸应变图。通过仿真结果可清晰的得到在相同的应变作用下，具有柔性填充材料结构的柔性电阻式应变传感器中间敏感材料区域整体形变量变大。本发明实例还提供一种所述高灵敏度柔性电阻式应变传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：制备柔性结构体1材料溶液、以及用于填充纵向通孔3和长方形缺口2中的柔性填充材料溶液，并在真空中抽气干燥备用。本实施例中柔性结构体1材料溶液采用PDMS溶液，柔性填充材料溶液采用Ecoflex溶液。

第二步：使用3D打印技术制作两个模具，第一模具6和第二模具7，如图2，第一模具6包括表面开设有长方形凹槽的底座、以及位于凹槽中的纵向凸块61、横向凸块62和斜向凸块63；所述凸块均为长方体结构，横向凸块62包括第一横向凸块62和第二横向凸块62，分别设置在纵向凸块61的两侧，关于纵向凸块61对称，且第一横向凸块62和第二横向凸块62的一端均与凹槽的侧面贴合；

所述纵向凸块61、横向凸块62和斜向凸块63的高度相同，且与凹槽深度相同或小于凹槽深度。

所述斜向凸块63有四个，对称分布在凹槽中，相邻的两个斜向凸块63关于纵向凸块61或横向凸块62对称。斜向凸块63与相邻的横向凸块62成锐角。

如图3，第二个模具7设置有与第一模具6尺寸相同的凹槽。但凹槽中不设凸块。

模具材料优选不易与柔性结构体1、以及柔性填充材料产生反应且粘连的材料。

第三步：将柔性结构体1溶液填入第一模具6中，如图6(a)，溶液高度与凸块高度平齐或低于凸块高度，之后加热固化，形成柔性结构体1，与第一模具6剥离备用。纵向凸块61、横向凸块62和斜向凸块63在柔性结构体1相应的位置分别形成了纵向通孔3、长方形缺口2和斜通孔4。

第四步：将第三步制作的柔性结构体1放入第二模具7中，如图6(b)，再将柔性填充材料溶液填满纵向通孔3和长方形缺口2，如图6(c)，并加热固化形成柔性基底。

第五步：待柔性填充材料溶液完全固化时，在纵向通孔3中的柔性填充材料表面制作薄膜导电层5，如图6(d)，所述薄膜导电层5位于长方形缺口2的延长线上，如图6(e)，并在薄膜导电层5两端接电极，制得高灵敏度柔性电阻式应变传感器，如图6(f)。上述实施例的制备方法，主要采用3D打印技术，简单快捷，成本低，且可靠性高。使用上述实施例制备制得的柔性电阻式应变传感器与传统柔性电阻式应变传感器相比很大程度上提高了灵敏度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器，其特征在于，包括柔性结构体和薄膜导电层；

在柔性结构体表面沿纵向轴线开设有纵向通孔，沿横向轴线开设有长方形缺口，长方形缺口与纵向通孔之间存在间隔，所述长方形缺口包括第一长方形缺口和第二长方形缺口，第一长方形缺口和第二长方形缺口位于纵向通孔两侧，且关于纵向通孔对称设置；

纵向通孔、第一长方形缺口和第二长方形缺口中均填充柔性材料；

薄膜导电层位于纵向通孔中柔性填充材料的表面，且位于第一长方形缺口和第二长方形缺口的连线上。

2.根据权利要求1所述一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器，其特征在于，柔性结构体采用的柔性材料比纵向通孔和长方形缺口中的柔性填充材料硬度高。

3.根据权利要求1所述一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器，其特征在于，柔性结构体材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚氨酯(PU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚萘酯(PEN)，柔性填充材料为Ecoflex硅橡胶或水凝胶。

4.根据权利要求1所述一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器，其特征在于，薄膜导电层由碳纳米管、石墨烯纳米片、炭黑、纳米银线或导电纳米材料制成。

5.根据权利要求1所述一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器，其特征在于，所述柔性结构体表面还开设有长方形斜通孔，所述长方形斜通孔共有4个，对称分布在薄膜导电层的四周；相邻的两个长方形斜通孔关于纵向通孔或长方形缺口对称。

6.根据权利要求5所述一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器，其特征在于，斜通孔的长边方向与相邻的长方形缺口之间的夹角为锐角。

7.根据权利要求1所述一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器，其特征在于，斜通孔的宽度比纵向通孔和长方形缺口都小。

8.根据权利要求6所述一种高灵敏度柔性电阻式应变传感器，其特征在于，所述斜通孔的长边方向与长方形缺口方向之间的夹角为60度。

9.一种如权利要求1-9任一项所述高灵敏度柔性电阻式应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：制备柔性结构体材料溶液、以及用于填充纵向通孔和长方形缺口中的柔性填充材料溶液，并在真空中抽气干燥备用；

第二步：制作两个模具，第一模具和第二模具，第一模具包括表面开设有长方形凹槽的底座、以及位于凹槽中的纵向凸块和横向凸块；所述凸块均为长方体结构，横向凸块包括第一横向凸块和第二横向凸块，分别设置在纵向凸块的两侧，关于纵向凸块对称，且第一横向凸块和第一横向凸块的一端均与凹槽的侧面贴合；

所述纵向凸块和横向凸块的高度相同，且与凹槽深度相同或小于凹槽深度；

第二个模具设置有与第一模具尺寸相同的凹槽；

第三步：将柔性结构体溶液填入第一模具中，溶液高度与凸块高度平齐或低于凸块高度，加热固化，形成柔性结构体，与第一模具剥离备用；纵向凸块和横向凸块在柔性结构体相应的位置分别形成了纵向通孔和长方形缺口；

第四步：将第三步制作的柔性结构体放入第二模具中，再将柔性填充材料溶液填满纵向通孔和长方形缺口，并加热固化；

第五步：待柔性填充材料溶液完全固化时，在纵向通孔中的柔性填充材料表面制作薄膜导电层，所述薄膜导电层位于长方形缺口的延长线上，并在薄膜导电层两端接电极，制得高灵敏度柔性电阻式应变传感器。

10.一种如权利要求9所述高灵敏度柔性电阻式应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述第一模具凹槽中还设置有斜向凸块，所述斜向凸块有四个，对称分布在凹槽中，相邻的两个斜向凸块关于纵向凸块或横向凸块对称，斜向凸块与相邻的横向凸块成锐角。

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