CN113405448A - 一种复合柔性传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合柔性传感器及其制备方法，其中，复合柔性传感器包括由上至下依次设置的导电织物层、第一PDMS封装层、PDMS微通道层、PVDF压电薄膜层和第二PDMS封装层，PDMS微通道层的上表面具有微通道，微通道用于填充液态金属混合物。相比于现有技术，本发明通过三种传感单元同时对一种应变行为进行表征，能够识别更多的动作，从而有效避免不同动作产生相似信号的困扰。

Description

一种复合柔性传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，特别是涉及一种复合柔性传感器及其制备方法。
背景技术
由于传统的金属片以及半导体传感器只能在微小应变的条件下使用，且其刚性大，不易弯曲，不适于贴附人体或加入到可穿戴设备中去，所以研究柔性高应变高敏感的传感器成为开发用于智能可穿戴设备的热点方向之一。柔性传感器应具有较高的柔韧性、高应变、高灵敏等优点，因而能够广泛应用于可穿戴电子产品领域，对人体运动及生理信息进行监测或用于人机交互系统。
目前，大多数可用的柔性传感器都是基于一种单一的传感机制，这种机制一次只能检测一种变形模式，尽管它可以响应不止一种模式，如压缩、拉伸和弯曲。而在实际应用中，一个输入刺激可能诱发多种模式的组合变形。
因此，如何设计一种多模态的柔性测量机制，以同时检测不同的变形模式，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合柔性传感器及其制备方法，通过三种传感单元同时对一种应变行为进行表征，避免单一传感器对不同应变产生相似感应。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种复合柔性传感器，包括由上至下依次设置的导电织物层、第一PDMS封装层、PDMS微通道层、PVDF压电薄膜层和第二PDMS封装层，所述PDMS微通道层的上表面具有微通道，所述微通道用于填充液态金属混合物。
优选地，所述导电织物层为镀银针织织物，所述导电织物层的两端安装有电极。
优选地，所述PDMS微通道层中的微通道数量为一条。
优选地，所述PDMS微通道层中的微通道形状为蛇形或螺线形。
优选地，所述PDMS微通道层的微通道中液态金属的材质为镓铟锡合金或镓铟合金。
优选地，所述PDMS微通道层中的微通道的两端安装有电极。
优选地，所述PVDF压电薄膜层的上、下表面分别安装有柔性指间电极。
本发明还公开了一种复合柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、将PDMS基础剂和固化剂按照固定的比例混合，得到液态混合聚合物；
S2、在晶圆上旋涂步骤S1得到的液态混合聚合物，固化后得到PDMS薄膜；
S3、将步骤S1得到的液态混合聚合物缓慢加入到微通道模具中，液态混合聚合物充斥微通道模具后，将超过微通道模具上表面的液态混合聚合物刮掉，得到PDMS微通道层，PDMS微通道层具有微通道；
S4、分别将液态金属和步骤S1制得的液态混合聚合物加入到喷枪中，透过掩模版将其交替喷涂到微通道中；
S5、将步骤S1得到的液态混合聚合物加入到喷枪中，透过掩模版向步骤S2得到的PDMS薄膜喷涂，最终得到具有微凸出状结构的的PDMS薄膜；
S6、利用粘结剂，将步骤S5的产物粘结在步骤S4的产物的上表面，起封装的作用；
S7、将导电织物层粘结在步骤6的产物上表面；
S8、配置PVDF的溶剂，并利用静电纺丝法制备PVDF压电薄膜；
S9、用PDMS薄膜将步骤S8的产物封装在步骤S6的产物的下表面。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明通过将三种不同的应变传感器集成于一体，减小了多种传感器所使用的空间，体现了高度集成化的特点。通过三种传感器同时对一种应变行为进行表征，可以有效避免因不同应变行为产生相似信号导致的无法区分应变类型的现象，提高了对应变行为的表征精度，可以区分更加复杂的应变行为，在电子皮肤以及人机交互方面有着广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例复合柔性传感器的分解图；
图2为本实施例复合柔性传感器的剖面图；
图3为微通道模具的结构示意图；
图4为掩模版的结构示意图；
附图标记说明：100-复合柔性传感器；1-导电织物层；2-第一PDMS封装层；3-PDMS微通道层；4-微通道；5-PVDF压电薄膜层；6-第二PDMS封装层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种复合柔性传感器及其制备方法，通过三种传感单元同时对一种应变行为进行表征，避免单一传感器对不同应变产生相似感应。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-4所示，本实施例提供一种复合柔性传感器100，包括由上至下依次设置的导电织物层1、第一PDMS封装层2、PDMS微通道层3、PVDF压电薄膜层5和第二PDMS封装层6。PDMS微通道层3的上表面具有微通道4，微通道4用于填充液态金属混合物。
其中，导电织物层1作为第一应变传感单元，其导电性受尼龙纤维之间接触量的影响，仅在拉伸时产生电导率变化而发生敏感。第一PDMS封装层2和PDMS微通道层3组成第二应变传感单元，且微通道4由液态金属混合物填充。在发生拉伸或者压缩应变时，液态金属混合物发生形变，同时其电阻产生变化，故第二应变传感单元对拉伸和压缩应变敏感；在发生纯弯曲应变时，由于液态金属混合物的长度和截面积不发生明显变化，故第二应变传感单元对弯曲应变不敏感。PDMS微通道层3下表面、PVDF压电薄膜层5及第二PDMS封装层6组成第三应变传感单元，由PVDF压电薄膜作为传感层。PVDF压电薄膜在受到拉伸、压缩和弯曲中的一种或多种应变时，压电薄膜上、下电极表面均会产生一个电信号，故压电薄膜对三种应变均敏感。
本实施例的复合柔性传感器100在使用时，将其固定于被检测物体上，通过对第一应变传感单元、第二应变传感单元和第三应变传感单元在同一时刻的波形进行对比，可以对各种单一应变及其组合进行识别，避免单一传感器对不同应变产生相似感应。
具体的，本实施例中导电织物层1为镀银针织织物，导电织物层1的两端安装有电极，实现对第一应变传感单元的信号输出。
PDMS微通道层3中的微通道4数量为一条，微通道4形状为蛇形、螺线形等可以用线条一笔画出的几何形状。微通道4中液态金属的材质为镓铟锡合金或镓铟合金。由于合金中各组相含量影响合金的熔点和电导率等特性，进而影响第二应变传感单元的性能，故可根据实际需要对各组相含量进行调整。微通道4的两端安装有电极，实现对第二应变传感单元的信号输出。
PVDF压电薄膜层5的上、下表面分别安装有柔性指间电极，实现对第三应变传感单元的信号输出。
本实施例还提供一种复合柔性传感器的制备方法，用于得到上述的复合柔性传感器100，包括如下步骤：
S1、将PDMS基础剂和固化剂按照固定的比例混合，得到液态混合聚合物；
S2、在晶圆上旋涂步骤S1得到的液态混合聚合物，固化后得到PDMS薄膜；
S3、将步骤S1得到的液态混合聚合物缓慢加入到微通道模具中，液态混合聚合物充斥微通道模具后，将超过微通道模具上表面的液态混合聚合物刮掉，得到PDMS微通道层3，PDMS微通道层3具有微通道4；
S4、分别将液态金属和步骤S1制得的液态混合聚合物加入到喷枪中，透过掩模版将其交替喷涂到微通道4中；
S5、将步骤S1得到的液态混合聚合物加入到喷枪中，透过掩模版向步骤S2得到的PDMS薄膜喷涂，最终得到具有微凸出状结构的的PDMS薄膜；
S6、利用粘结剂，将步骤S5的产物粘结在步骤S4的产物的上表面，起封装的作用；
S7、将导电织物层1粘结在步骤6的产物上表面；
S8、配置PVDF的溶剂，并利用静电纺丝法制备PVDF压电薄膜；
S9、用PDMS薄膜将步骤S8的产物封装在步骤S6的产物的下表面。
步骤S1中，PDMS基础剂和固化剂的比例一般为10：1，且混合后需要充分搅拌至生成均匀的气泡，再放在0.2Mpa的真空泵中静置2h，除去气泡，才能得到所需的液态混合聚合物。
步骤S3中，使用的微通道模具可以通过机加工或3D打印方式得到，且在加入液态混合聚合物前，微通道模具需要进行钝化处理以方便脱模，例如可以进行TMCS蒸汽处理(30min,2-3次)，加入完毕后需要在80℃烘箱中烘干4-6h。形成的微通道4的宽度可以是0.4mm～2mm,高度可以是0.2mm～1.2mm。一般来说，宽度和高度越小，该传感单元灵敏度越大。
步骤S4、步骤S5中，掩模版可以是激光加工的不锈钢掩模版，也可以用光固化打印机加工树脂得到(需要用表面活性剂处理)。掩模版上设有与微通道4形状一致的通孔，使得步骤S5得到的PDMS薄膜上的微凸出状结构能够嵌入微通道4内。
步骤S5中，透过掩模版喷涂液态混合聚合物的过程，应是分多次喷涂，每次喷出适当高度后先在80℃烘箱中烘干1h，待固结成形后再进行下一次的喷涂，直到得到需要的高度，在喷涂过程中要注意喷涂的均匀性。
步骤S7中，用到的导电织物层1为一种镀银针织织物，通过在特定方向编织带有图案的镀银尼龙纤维制成，其导电性受镀银尼龙纤维之间接触量的影响，仅在拉伸时产生电导率变化而发生敏感。
步骤S8中，配置的PVDF溶剂中物料的质量比为PVDF:DMF:丙酮＝1：3：7。PVDF溶剂加入烧杯后，在50℃下水浴加热4h。调试后在12kV电压，2.5ml/h的速率下开始纺丝，在收集装置上得到PVDF薄膜。
步骤S6、步骤S9中的封装方法包括但不限于在需要粘结表面上用画笔刷上一层PDMS溶液作为粘结剂后粘合的方法。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种复合柔性传感器，其特征在于，包括由上至下依次设置的导电织物层、第一PDMS封装层、PDMS微通道层、PVDF压电薄膜层和第二PDMS封装层，所述PDMS微通道层的上表面具有微通道，所述微通道用于填充液态金属混合物。
2.根据权利要求1所述的复合柔性传感器，其特征在于，所述导电织物层为镀银针织织物，所述导电织物层的两端安装有电极。
3.根据权利要求1所述的复合柔性传感器，其特征在于，所述PDMS微通道层中的微通道数量为一条。
4.根据权利要求3所述的复合柔性传感器，其特征在于，所述PDMS微通道层中的微通道形状为蛇形或螺线形。
5.根据权利要求1所述的复合柔性传感器，其特征在于，所述PDMS微通道层的微通道中液态金属的材质为镓铟锡合金或镓铟合金。
6.根据权利要求1所述的复合柔性传感器，其特征在于，所述PDMS微通道层中的微通道的两端安装有电极。
7.根据权利要求1所述的复合柔性传感器，其特征在于，所述PVDF压电薄膜层的上、下表面分别安装有柔性指间电极。
8.一种复合柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将PDMS基础剂和固化剂按照固定的比例混合，得到液态混合聚合物；
S2、在晶圆上旋涂步骤S1得到的液态混合聚合物，固化后得到PDMS薄膜；
S3、将步骤S1得到的液态混合聚合物缓慢加入到微通道模具中，液态混合聚合物充斥微通道模具后，将超过微通道模具上表面的液态混合聚合物刮掉，得到PDMS微通道层，PDMS微通道层具有微通道；
S4、分别将液态金属和步骤S1制得的液态混合聚合物加入到喷枪中，透过掩模版将其交替喷涂到微通道中；
S5、将步骤S1得到的液态混合聚合物加入到喷枪中，透过掩模版向步骤S2得到的PDMS薄膜喷涂，最终得到具有微凸出状结构的的PDMS薄膜；
S6、利用粘结剂，将步骤S5的产物粘结在步骤S4的产物的上表面，起封装的作用；
S7、将导电织物层粘结在步骤6的产物上表面；
S8、配置PVDF的溶剂，并利用静电纺丝法制备PVDF压电薄膜；
S9、用PDMS薄膜将步骤S8的产物封装在步骤S6的产物的下表面。
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