CN113739715A - 一种基于褶皱结构色的柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于褶皱结构色的柔性应变传感器及其制备方法，传感器包括从PDMS基体上分离的PDMS柔性应变传感材料，PDMS基体基于拉伸自发形成的有序褶皱结构；将矩形PDMS片单轴拉伸20％，对其进行氧等离子体处理，缓慢释放预拉伸应变，再将释放应变后的PDMS薄片作为模板，在其表面覆掺杂黑色素的PDMS液体固化后剥离得到倒模的PDMS薄片，获得PDMS薄片的应变大小并进行标定得到柔性结构色应变传感器；相比基于传统微纳制造方法制备的应变传感材料，本发明所述方法极为简易，成本低廉；基于颜色‑应变的定量关系，可构建基于褶皱结构色的柔性应变传感器，测量输出信号形式简单、直接，甚至通过肉眼观察颜色变化来定性、直观反映其应变的大小。

Description

一种基于褶皱结构色的柔性应变传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于力致变色与柔性传感器领域，具体涉及一种基于褶皱结构色的柔性应变传感器及其制备方法。
背景技术
作为可穿戴电子器件中重要的核心部件，柔性应变传感器是感知外界环境、实现信息交互的基础，在电子皮肤、健康监测、运动监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。传统的柔性应变传感器通常是将外界刺激信号产生的应变转换为电信号形式输出，根据传感原理的不同可分为电阻式、电容式、压电式。但是，其数据的采集或读取往往仍需要与外部设备有线连接，一定程度上限制它的实际应用。
近年来，研究人员通过构造表面微结构，开发了基于力致变色材料的无线应变传感器，通过定量测量传感材料的颜色随应变的变化，以获得样品应变的大小。但是目前大都采用复杂且昂贵的光刻技术制造周期性的表面微结构。如何简单有效且低成本地制备周期性表面微结构，且同时可实现力致变色功能是一个重要的挑战。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于褶皱结构色的柔性应变传感器及其制备方法，利用自发形成的周期性褶皱图案作为产生结构色的类光栅结构，并将其结构完整的倒模复制，形成具有高应变范围的柔性应变传感器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于褶皱结构色的柔性应变传感器，包括从PDMS基体上分离的PDMS柔性应变传感材料，PDMS柔性应变传感材料的原料包括掺杂黑色素的PDMS液体，PDMS基体上有基于拉伸自发形成的有序褶皱结构，PDMS柔性应变传感材料具有与所述有序褶皱结构相同的褶皱结构。
PDMS柔性应变传感材料的厚度为1mm，PDMS基体上的有序褶皱结构为波状结构。
掺杂黑色素与PDMS液体的质量比为80-150：1。
一种基于褶皱结构色的柔性应变传感器的制备方法包括以下步骤：
步骤1，将PDMS基底进行单轴预拉伸，产生预拉伸应变，对拉伸状态下的PDMS基底进行氧等离子体处理；
步骤2，缓慢释放预拉伸应变，PDMS基底表面自发形成表面褶皱；
步骤3，将释放应变后的PDMS基底作为模板，在其表面覆盖一层厚度0.8-1mm，掺杂黑色素的PDMS液体并充分固化；
步骤4，将固化后的PDMS剥离，即得到具有褶皱结构色的PDMS柔性应变传感材料；
步骤5，用光谱特征峰的变化计算和标定PDMS柔性应变传感材料的应变，得到柔性结构色应变传感器。
PDMS基体制备如下：将质量比为10：1的预聚体和固化剂放入烧杯中搅拌均匀，使其呈白色混浊态，然后放入真空箱除去搅拌过程中引入的气泡，再取出后充分固化得到PDMS基体，PDMS基体的厚度为0.8-1.2mm。
预拉伸时，对PDMS片进行单轴拉伸产生10％～40％的预拉伸应变，对其进行3min氧等离子体处理，功率100W，氧气流量8sccm，可得到波长为500～800nm，振幅为15～100nm的波状结构。
步骤2中，以1mm/min的速度缓慢释放预拉伸应变。
步骤3中，PDMS液体与掺杂黑色素的质量比为80-150：1，在烘干条件下固化。
利用微型光谱仪在固定角度无线测量PDMS柔性应变传感材料在变形过程中不同阶段的光谱信息，通过光谱特征峰的变化计算和标定PDMS柔性应变传感材料的应变，即得到柔性结构色应变传感器。
基于本发明所述制备方法所得柔性结构色应变传感器作为可见光条件下的应变测量传感器。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明所述PDMS柔性应变传感材料，具有PDMS基体基于拉伸自发形成的有序褶皱结构，当白光从给定角度入射时，随拉伸应变增加，褶皱波长增加，衍射光谱随之变化，结构色由蓝色向红色演变，能够用于柔性服役环境中0％-50％应变的测量。
本发明的突出优点在于采用自发形成的褶皱图案作为产生结构色的类光栅结构，并将其结构完整的倒模复制，形成具有高应变检测范围的可视化柔性应变传感器；将矩形PDMS片单轴拉伸20％，对其进行氧等离子体处理，此时PDMS表面将会被氧化形成一层薄硅氧层，其杨氏模量远大于基底的杨氏模量，接下来缓慢释放预拉伸应变，由于矩形PDMS片表层和底层的杨氏模量不匹配，表面会自发形成条纹褶皱图案，再将释放应变后的PDMS薄片作为模板，在其表面浇筑掺杂黑色素的PDMS液体，由于PDMS是透明的，光线通过时散射较大，结构色并不易见，所以将表面褶皱结构复制到显色更为明显的掺杂黑色素的PDMS上，PDMS液体与掺杂黑色素固化后缓慢剥离得到倒模的PDMS薄片，即为柔性应变传感材料，最后利用微型光谱仪实时测试PDMS薄片的光谱信息，获得样品的应变大小并进行标定得到柔性结构色应变传感器；当白光从给定角度入射时，随拉伸应变增加，褶皱波长增加，衍射光谱随之变化，结构色由蓝色向红色演变，能基于可见光可实现0％-50％应变的测量；本发明提出的柔性应变传感器制备方法简单，成本低廉，可无线传感，具有可视性，在软机器人、智能穿戴设备方面有着广阔的应用前景；简单有效且成本低，可无线传感，具有可视性，且可实时可视化，在软机器人、智能穿戴设备方面有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为具有结构色的PDMS表面AFM照片。
图2a为无应变的柔性结构色应变传感器变色照片。
图2b为柔性结构色应变传感器应变为10％时单轴拉伸变色照片。
图2c为柔性结构色应变传感器应变为20％单轴拉伸变色照片。
图2d为柔性结构色应变传感器应变为30％单轴拉伸变色照片。
图2e为柔性结构色应变传感器应变为40％单轴拉伸变色照片。
图2f为柔性结构色应变传感器应变为50％单轴拉伸变色照片。
图3为柔性结构色应变传感器单轴拉伸的衍射光谱。
图4为柔性结构色应变传感器单轴拉伸的衍射峰-应变曲线。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
一种基于褶皱结构色的柔性应变传感器，其特征在于，包括从PDMS基体上分离的PDMS柔性应变传感材料，PDMS柔性应变传感材料的原料包括掺杂黑色素的PDMS液体，PDMS基体上有基于拉伸自发形成的有序褶皱结构，PDMS柔性应变传感材料具有与所述有序褶皱结构相同的褶皱结构，参考图1；PDMS柔性应变传感材料的厚度为1mm，PDMS基体上的有序褶皱结构为波状结构；杂黑色素与PDMS液体的质量比为80-150：1。
本发明基于褶皱结构色的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将PDMS基底进行单轴预拉伸，产生预拉伸应变，对拉伸状态下的PDMS基底进行氧等离子体处理；
步骤2，缓慢释放预拉伸应变，PDMS基底表面自发形成表面褶皱；
步骤3，将释放应变后的PDMS基底作为模板，在其表面覆盖一层厚度0.8-1mm，掺杂黑色素的PDMS液体并充分固化；
步骤4，将固化后的PDMS剥离，即得到具有褶皱结构色的PDMS柔性应变传感材料；
步骤5，用光谱特征峰的变化计算和标定PDMS柔性应变传感材料的应变，得到柔性结构色应变传感器。
PDMS基体制备如下：将质量比为10：1的预聚体和固化剂放入烧杯中搅拌均匀，使其呈白色混浊态，然后放入真空箱除去搅拌过程中引入的气泡，再取出后充分固化得到PDMS基体，PDMS基体的厚度为0.8-1.2mm。
预拉伸时，对PDMS片进行单轴拉伸产生10％～40％的预拉伸应变，对其进行3min氧等离子体处理，功率100W，氧气流量8sccm，可得到波长为500～800nm，振幅为15～100nm的波状结构。
步骤2中，以1mm/min的速度缓慢释放预拉伸应变。
步骤3中，PDMS液体与掺杂黑色素的质量比为80-150：1，在烘干条件下固化。
利用微型光谱仪在固定角度无线测量PDMS柔性应变传感材料在变形过程中不同阶段的光谱信息，通过光谱特征峰的变化计算和标定PDMS柔性应变传感材料的应变，即得到柔性结构色应变传感器。
基于本发明制备方法所得柔性结构色应变传感器作为可见光条件下的应变测量传感器。
实施例1
本实施例是在以下实施条件和技术要求下实施的：
首先将质量比为10：1的预聚体和固化剂放入烧杯中搅拌5min，然后放入真空箱除气，再取出置于烘箱中，于80℃下固化2h，裁剪成矩形，制备厚度为1mm的PDMS薄片，即PDMS基体。
接着将其用自制拉伸台，单轴拉伸产生20％的预拉伸应变，并进行3min氧等离子体处理，功率100W，氧气流量8sccm。
然后以1mm/min的速度缓慢释放预拉伸应变，表面会自发形成周期性褶皱图案，波长为725nm，振幅为17nm。
最后，将释放应变后的PDMS薄片作为模板，在其表面浇筑掺杂黑色素的PDMS液体，PDMS液体与掺杂黑色素的质量比为100：1。置于烘箱中，于80℃下固化2h。缓慢剥离得到倒模的PDMS薄片，利用微型光谱仪实时测量样品的光谱信息，即可构建基于褶皱结构色的柔性应变传感器。
基于实施例1中的基本步骤，本发明在单轴拉伸时针对10％以及40％预拉伸应变进行实施，当白光以15°入射所制备的具有褶皱图案的PDMS样品时，表面呈现出蓝色。随单轴拉伸应变的增加，衍射峰几乎线性增大，具有优异的线性度(R2＝0.993)，参考图4；参考图3、图2a、图2b、图2c、图2d、图2e以及图2f，随应变从0％增加至50％，衍射峰由475nm增加至685nm，结构色由蓝色逐渐变为红色，基于全可见光实现了0％-50％应变的测量，灵敏度为0.88，参考图4。
具体如下：
实施例2，首先将质量比为10：1的预聚体和固化剂放入烧杯中搅拌5min，然后放入真空箱除气，再取出置于烘箱中，于80℃下固化2h，裁剪成矩形，制备厚度为0.8mm的PDMS薄片，即PDMS基体。
接着将其用自制拉伸台，单轴拉伸产生10％的预拉伸应变，并进行3min氧等离子体处理，功率100W，氧气流量8sccm。
然后以1mm/min的速度缓慢释放预拉伸应变，表面会自发形成周期性褶皱图案，波长为725nm，振幅为15nm。
最后，将释放应变后的PDMS薄片作为模板，在其表面浇筑掺杂黑色素的PDMS液体，PDMS液体与掺杂黑色素的质量比为80：1。置于烘箱中，于80℃下固化2h。缓慢剥离得到倒模的PDMS薄片，利用微型光谱仪实时测量样品的光谱信息，即可构建基于褶皱结构色的柔性应变传感器。
实施例3，首先将质量比为10：1的预聚体和固化剂放入烧杯中搅拌5min，然后放入真空箱除气，再取出置于烘箱中，于80℃下固化2h，裁剪成矩形，制备厚度为1.2mm的PDMS薄片，即PDMS基体。
接着将其用自制拉伸台，单轴拉伸产生40％的预拉伸应变，并进行5min氧等离子体处理，功率100W，氧气流量8sccm。
然后以1mm/min的速度缓慢释放预拉伸应变，表面会自发形成周期性褶皱图案，波长为800nm，振幅为80nm。
最后，将释放应变后的PDMS薄片作为模板，在其表面浇筑掺杂黑色素的PDMS液体，PDMS液体与掺杂黑色素的质量比为150：1。置于烘箱中，于80℃下固化2h。缓慢剥离得到倒模的PDMS薄片，利用微型光谱仪实时测量样品的光谱信息，即可构建基于褶皱结构色的柔性应变传感器。

Claims (10)

1.一种基于褶皱结构色的柔性应变传感器，其特征在于，包括从PDMS基体上分离的PDMS柔性应变传感材料，PDMS柔性应变传感材料的原料包括掺杂黑色素的PDMS液体，PDMS基体上有基于拉伸自发形成的有序褶皱结构，PDMS柔性应变传感材料具有与所述有序褶皱结构相同的褶皱结构。
2.根据权利要求1所述的基于褶皱结构色的柔性应变传感器，其特征在于，PDMS柔性应变传感材料的厚度为1mm，PDMS基体上的有序褶皱结构为波状结构。
3.根据权利要求1所述的基于褶皱结构色的柔性应变传感器，其特征在于，掺杂黑色素与PDMS液体的质量比为80-150：1。
4.一种基于褶皱结构色的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将PDMS基底进行单轴预拉伸，产生预拉伸应变，对拉伸状态下的PDMS基底进行氧等离子体处理；
步骤2，缓慢释放预拉伸应变，PDMS基底表面自发形成表面褶皱；
步骤3，将释放应变后的PDMS基底作为模板，在其表面覆盖一层厚度0.8-1mm，掺杂黑色素的PDMS液体并充分固化；
步骤4，将固化后的PDMS剥离，即得到具有褶皱结构色的PDMS柔性应变传感材料；
步骤5，用光谱特征峰的变化计算和标定PDMS柔性应变传感材料的应变，得到柔性结构色应变传感器。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，PDMS基体制备如下：将质量比为10：1的预聚体和固化剂放入烧杯中搅拌均匀，使其呈白色混浊态，然后放入真空箱除去搅拌过程中引入的气泡，再取出后充分固化得到PDMS基体，PDMS基体的厚度为0.8-1.2mm。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，预拉伸时，对PDMS片进行单轴拉伸产生10％～40％的预拉伸应变，对其进行3min氧等离子体处理，功率100W，氧气流量8sccm，可得到波长为500～800nm，振幅为15～100nm的波状结构。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，以1mm/min的速度缓慢释放预拉伸应变。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，PDMS液体与掺杂黑色素的质量比为80-150：1，在烘干条件下固化。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，利用微型光谱仪在固定角度无线测量PDMS柔性应变传感材料在变形过程中不同阶段的光谱信息，通过光谱特征峰的变化计算和标定PDMS柔性应变传感材料的应变，即得到柔性结构色应变传感器。
10.权利要求4-9任一项制备方法所得柔性结构色应变传感器的应用，其特征在于，作为可见光条件下的应变测量传感器。
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