CN113720386A - 一种测量温度和应变的双模态柔性传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量温度和应变的双模态柔性传感器，包括设于最外侧的两柔性衬底(1)，两柔性衬底(1)的外表面分别附着应变敏感材料(4)，内表面分别覆盖电极(3)，两电极(3)间夹有介电材料层(2)；所述的柔性衬底(1)为柔性薄膜，不导电。该双模态柔性传感器利用应变敏感材料的电阻随应变发生变化及介电材料的介电常数ε和厚度d随温度发生变化实现温度和应变双模态测量。此外，该双模态柔性传感器结构简单、制备和使用方法简单高效，测温范围广，可以实现20～200℃的温度测量、0～2000με的应变测量，测量精度高、温度测量误差约为4.44％，应变测量误差约为6.5％，可应用于汽车胎压与温度的检测。

Description

一种测量温度和应变的双模态柔性传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及温度、应变探测技术领域，尤其涉及一种测量温度和应变的双模态柔性传感器及其制备方法。
背景技术
温度直接影响着器件或材料的物理性质、化学性质等。柔性温度传感器具备良好的柔韧性、可拉伸性、可以自由弯曲甚至折叠，结构形式灵活多样，能够非常方便地对被测量进行检测。柔性温度传感器的传感机理是指传感器将被测的温度信号转化为电信号的信号转换机制，即通过柔性温度传感器电信号的变化可以及时检测到器件的运行是否正常，解决运行温度过高的问题，增加器件的使用寿命。
柔性应变传感器在电子皮肤、医疗保健、运动器材等领域受到广泛应用，柔性应变传感器的传感机理是指传感器将被测的应变信号转化为电信号的信号转换机制，主要分为压阻效应，电容效应和压电效应三大部分。应变是器件的重要性能参数之一，探测高温下的应变对于轴承工作状态监测有着重要的意义。
而为了能够实现传感器设备的高度集成化，研制可实现温度测量和应变测量的双模态柔性传感器是当前技术的难点之一。
公开号为CN106017718B的中国专利文献中公开了一种柔性温度传感器，该温度传感器包括：上、下层柔性衬底；置于衬底上的电极；电极之间的温度敏感材料；电极材料采用金属材料或碳粉材料加工而成，电极加工方法采用丝网印刷方式。
公开号为CN112857468A的中国专利文献中公开了一种双模态传感器，包括：弹性基体，导电材料和磁性敏感材料；所述的弹性基体不导电；所述的导电材料附着在弹性基体表面；所述的磁性敏感材料插入弹性基体内，该双模态传感器能够同时测量应变和磁场强度，互不干扰，制备和使用方法简单、高效。
发明内容
本发明提供了一种测量温度和应变的双模态柔性传感器，可以实现温度和应变的同时测量、互不干扰、结构简单、制备和使用方法简单高效，测温范围广，可以实现30～200℃的温度测量、0～2000με的应变测量。
具体采用的技术方案如下：
一种测量温度和应变的双模态柔性传感器，包括设于最外侧的两柔性衬底，两柔性衬底的外表面分别附着应变敏感材料，内表面分别覆盖电极，两电极间夹有介电材料层；所述的柔性衬底为柔性薄膜，不导电。
所述的柔性衬底具有柔软、低模量、易变形等特点，优选的，所述的柔性衬底由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、三元乙丙橡胶(EPDM)中的至少一种制成。
进一步优选的，所述的柔性衬底为聚酰亚胺薄膜。
所述的电极由电极材料制成，优选的，电极材料为固态导电金属、导电聚合物、无机碳系导电材料或液态金属。
所述的无机碳系导电材料包括但不限于石墨、碳纳米管、石墨烯等。
所述的液态金属为汞、镓、镓铟合金或镓铟锡合金；优选的，液态金属为掺杂过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种的镓、镓铟合金、镓铟锡合金。
进一步优选的，所述的电极材料为镓铟合金液态金属。
优选的，所述的介电材料层包含介电材料或介电材料和热膨胀聚合物的混合物，所述的介电材料为二氧化钛的复合氧化物陶瓷、云母或六方氮化硼。
所述的热膨胀聚合物包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。
介电材料对温度敏感，介电常数随温度升高而减小，由于线性膨胀的正系数，其厚度也随着温度的增加而增加，能够将温度信号转化为电信号。热膨胀聚合物的存在可以进一步增加介电材料层的厚度变化，提高该双模态柔性传感器的灵敏度。
进一步优选的，所述的介电材料层包含钛酸钡陶瓷和聚二甲基硅氧烷的混合物。
应变敏感材料的电阻随应变发生变化，能够将应变信号转化为电信号。
所述的应变敏感材料包括碳化硅半导体、锑化钢半导体、铟锡氧化物、氮化钛陶瓷、氮化钽陶瓷、硼化钽陶瓷、铜镍系合金、镍铬系合金、铁铬系合金、铂钨系合金或钯铬系合金。
应变敏感材料的回线形结构制作简单，性能稳定，当所述的双模态柔性传感器受力变形时，应变敏感材料同时变形,电阻值改变，可依据电阻值的变化计算得到该双模态柔性传感器的变形量。
应变敏感材料可根据不同的需要改变为不同的结构。
优选的，所述的应变敏感材料以回线形附着于两柔性衬底的外表面，间距为300～500μm。
本发明还提供了所述的双模态柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在一柔性衬底的内表面均匀涂覆或沉积电极材料，形成电极；
(2)将介电材料或介电材料和热膨胀聚合物的混合物涂覆或沉积至步骤(1)的电极上，加热固化形成介电材料层；
(3)将电极材料涂覆或沉积至介电材料层上，形成电极，再用柔性衬底封装；
(4)将应变敏感材料涂覆或沉积至两柔性衬底的外表面，制备得到所述的双模态柔性传感器。
优选的，所述的应变敏感材料为NiCr合金，通过磁控溅射镀膜在两柔性衬底的外表面。
本发明还提供了所述的双模态柔性传感器的使用方法，包括如下步骤：
(1)在固定的温度下，测量所述的双模态柔性传感器的电容，改变外界温度，得到一系列不同温度下的参考电容值，并拟合得到温度与电容变化率关系曲线；
(2)对所述的双模态柔性传感器施加固定的应变，测试该双模态柔性传感的电阻，改变应变的大小，得到一系列在不同应变下的参考电阻值，并拟合得到应变与电阻变化率关系曲线；
(3)保持与步骤(1)、(2)中的测试条件相同，测试该双模态柔性传感器的实际电容变化率、电阻变化率，将其分别代入所述的温度与电容变化率关系曲线和应变与电阻变化率关系曲线，得到实测的温度值、应变值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用应变敏感材料的电阻随应变发生变化及介电材料的介电常数ε和厚度d随温度发生变化实现温度和应变双模态测量。
(2)所述的双模态柔性传感器结构简单、制备和使用方法简单高效，可以同时实现温度和应变测量，且互不干扰，不存在温度、应变输出信号的耦合问题，测温范围广，可以实现30℃到200℃的温度测量、0～2000με的应变测量。
附图说明
图1为本发明实施例1中的双模态柔性传感器的结构示意图，其中，附图标记为：柔性衬底1、介电材料层2；电极3、应变敏感材料4。
图2为本发明实施例1中制得的双模态柔性传感器电容变化率随温度变化的关系曲线图。
图3为本发明实施例1中制得的双模态柔性传感器电阻变化率随应变变化的关系曲线图，GF表示应变灵敏系数。
具体实施方式
下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
实施例1
本实施例中，双模态柔性传感器的结构如图1所示，两柔性衬底1的外表面分别附着应变敏感材料4，内表面分别覆盖电极3，两电极3间夹有介电材料层2，应变敏感材料4以回线形附着于两柔性衬底1的外表面，间距为350μm。
本实施例中，柔性衬底1为聚酰亚胺薄膜，可弯曲，不导电，电极3由镓铟合金液态金属制成，介电材料层2包含钛酸钡陶瓷和聚二甲基硅氧烷的混合物，应变敏感材料4为NiCr合金。
该双模态柔性传感器的制备方法包括以下步骤：
(1)在一聚酰亚胺薄膜的内表面均匀涂覆镓铟合金液态金属，形成电极；
(2)将钛酸钡陶瓷与聚二甲基硅氧烷混匀，旋涂至电极上，加热固化形成介电材料层；
(3)将镓铟合金液态金属涂覆至介电材料层上，形成电极，再用聚酰亚胺薄膜封装；
(4)分别在两聚酰亚胺薄膜的外表面以回线形磁控溅射沉积NiCr合金，制备得到所述的双模态柔性传感器。
对该双模态柔性传感器进行如下测试：
(1)在不同温度下(30～200℃)测量该双模态柔性传感器的电容变化率大小，由此得到一系列在不同温度下的参考电容变化率，其拟合曲线如图2所示，随着温度的升高电容变化率逐渐减小，具有良好的线性度(0.9983)；
(2)对该双模态柔性传感器施加不同的应变(0～2000με)，测试该感器导电材料的电阻变化率大小，由此得到一系列在不同应变下的参考电阻变化率，其拟合曲线如图3所示，电阻与应变正相关，同时具有良好的线性度，应变灵敏系数GF＝1.635。
(3)在实际应用中，与步骤(1)、(2)中的测试条件相同，测试该双模态柔性传感器的实际电容、电阻变化率，将其分别代入温度与电容变化率关系曲线和应变与电阻变化率关系曲线，得到实际的温度值、应变值。
将本实施例的双模态柔性传感器放置在90℃的环境中，其电容变化率为9.5％，根据图2计算可得温度为86℃，即相对误差为4.44％。
对本实施例的双模态柔性传感器施加1000με的微应变，其电阻变化率为1624ppm，根据图3计算可得应变为1065με，即相对误差为6.50％。
实施例2
本实施例的双模态柔性传感器中，两柔性衬底的外表面分别附着应变敏感材料，内表面分别覆盖电极，两电极间夹有介电材料层，应变敏感材料以回线形附着于两柔性衬底的外表面，间距为300μm。
其中，柔性衬底为聚丙烯(PP)薄膜，可弯曲，不导电，电极由石墨制成，介电材料层包含锆钛酸铅陶瓷，应变敏感材料为铟锡氧化物ITO。
该双模态柔性传感器的制备方法包括以下步骤：
(1)在一PP薄膜的内表面均匀涂覆石墨，形成电极；
(2)将锆钛酸铅陶瓷沉积至电极上，形成介电材料层；
(3)将石墨涂覆至介电材料层上，形成电极，再用PP薄膜封装；
(4)分别在两PP薄膜的外表面以回线形沉积ITO，制备得到所述的双模态柔性传感器。
实施例3
本实施例的双模态柔性传感器中，两柔性衬底的外表面分别附着应变敏感材料，内表面分别覆盖电极，两电极间夹有介电材料层，应变敏感材料以回线形附着于两柔性衬底的外表面，间距为400μm。
其中，柔性衬底为聚酰胺薄膜，可弯曲，不导电，电极由导电聚合物聚乙炔制成，介电材料层包含云母和聚苯乙烯，应变敏感材料为碳化硅半导体。
该双模态柔性传感器的制备方法包括以下步骤：
(1)在一聚酰胺薄膜的内表面均匀涂覆聚乙炔，形成电极；
(2)将云母与聚苯乙烯混匀，旋涂至电极上，加热固化形成介电材料层；
(3)将聚乙炔涂覆至介电材料层上，形成电极，再用聚酰胺薄膜封装；
(4)分别在两聚酰胺薄膜的外表面以回线形沉积碳化硅，制备得到所述的双模态柔性传感器。
实施例4
本实施例的双模态柔性传感器中，两柔性衬底的外表面分别附着应变敏感材料，内表面分别覆盖电极，两电极间夹有介电材料层，应变敏感材料以回线形附着于两柔性衬底的外表面，间距为450μm。
其中，柔性衬底为聚酰亚胺薄膜，可弯曲，不导电，电极由镓铟锡合金液态金属制成，介电材料层包含六方氮化硼，应变敏感材料为PdCr合金。
该双模态柔性传感器的制备方法包括以下步骤：
(1)在一聚酰亚胺薄膜的内表面均匀涂覆镓铟锡合金液态金属，形成电极；
(2)将六方氮化硼沉积至电极上，形成介电材料层；
(3)将镓铟锡合金液态金属涂覆至介电材料层上，形成电极，再用聚酰亚胺薄膜封装；
(4)分别在两聚酰亚胺薄膜的外表面以回线形沉积PdCr合金，制备得到所述的双模态柔性传感器。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测量温度和应变的双模态柔性传感器，其特征在于，包括设于最外侧的两柔性衬底(1)，两柔性衬底(1)的外表面分别附着应变敏感材料(4)，内表面分别覆盖电极(3)，两电极(3)间夹有介电材料层(2)；所述的柔性衬底(1)为柔性薄膜，不导电。
2.根据权利要求1所述的双模态柔性传感器，其特征在于，所述的柔性衬底(1)由聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、三元乙丙橡胶中的至少一种制成。
3.根据权利要求1所述的双模态柔性传感器，其特征在于，所述的电极(3)由电极材料制成，电极材料为固态导电金属、导电聚合物、无机碳系导电材料或液态金属。
4.根据权利要求3所述的双模态柔性传感器，其特征在于，所述的液态金属为汞、镓、镓铟合金或镓铟锡合金。
5.根据权利要求1所述的双模态柔性传感器，其特征在于，所述的介电材料层(2)包含介电材料或介电材料和热膨胀聚合物的混合物，所述的介电材料为二氧化钛的复合氧化物陶瓷、云母或六方氮化硼。
6.根据权利要求1所述的双模态柔性传感器，其特征在于，所述的应变敏感材料(4)包括碳化硅半导体、锑化钢半导体、铟锡氧化物、氮化钛陶瓷、氮化钽陶瓷、硼化钽陶瓷、铜镍系合金、镍铬系合金、铁铬系合金、铂钨系合金或钯铬系合金。
7.根据权利要求1所述的双模态柔性传感器，其特征在于，所述的应变敏感材料(4)以回线形附着于两柔性衬底(1)的外表面，间距为300～500μm。
8.根据权利要求1所述的双模态柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在一柔性衬底的内表面均匀涂覆或沉积电极材料，形成电极；
(2)将介电材料或介电材料和热膨胀聚合物的混合物涂覆或沉积至步骤(1)的电极上，加热固化形成介电材料层；
(3)将电极材料涂覆或沉积至介电材料层上，形成电极，再用柔性衬底封装；
(4)将应变敏感材料涂覆或沉积至两柔性衬底的外表面，制备得到所述的双模态柔性传感器。
9.根据权利要求8所述的双模态柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述的应变敏感材料为NiCr合金，通过磁控溅射镀膜在两柔性衬底的外表面。
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