CN113819836B - 一种多材料剪纸结构可延展应变传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多材料剪纸结构可延展应变传感器及其制备方法，将应变敏感导电材料与应变非敏感导电材料相结合，引入剪纸结构以提高整体可延展能力和与手指的贴附性。制备步骤包括：首先将弹性基底贴附在玻璃片上；然后将应导电材料打印到弹性基底上并烘干；接下来将外接导线与导电材料进行粘接；之后在玻璃片上方继续旋涂一层液态弹性硅胶，固化后作为封装层；组后通过激光切割完成对应变传感器无导电材料区域的图形化加工，形成剪纸结构。该新型应变传感器对于提高单方向应变精度和手指弯曲适形能力具有重要实用价值，可有效减小手指弯曲变形时应变传感器非检测方向电阻变化误差，并通过剪纸结构狭缝自身扩张变形更好地适应大角度弯曲需要。

Description

一种多材料剪纸结构可延展应变传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医电技术领域，具体涉及一种可延展应变传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，柔性电子应变传感器件的发展非常迅速，可以用来检测各种人体生理活动，在人机交互、健康监控、柔性电子皮肤等领域有很大应用潜力。然而，目前大多数应变传感器结构设计优化程度不高，贴附性欠佳，难以满足手指大角度弯曲时的变形需求。此外，应变传感器多采用单一应变敏感导电材料，随手指弯曲时，非检测方向电阻变化易引入误差，导致传感器检测应变方向精度降低。
现有技术中，美国伊利诺伊大学Keong Yong,Subhadeep De等人在MaterialsToday,2020,34:58-65撰文“Kirigami-inspired strain-insensitive sensors based onatomically-thin materials”，提出了在传感器中引入基于剪纸结构的石墨烯应变非敏感导电材料，用以降低由变形引起的电阻变化，提高光探测传感器的测量精度，该技术方法对本发明中应变传感器结构设计和材料选取具有重要启发和借鉴意义。
美国南加州大学Alex Baldwin,Ellis Meng在Journal ofMicroelectromechanical Systems,2018,27(6):1082-1088撰文“Kirigami StrainSensors Microfabricated From Thin-Film Parylene C”提出了一种在聚对二甲苯(Parylene C)柔性薄膜上设置狭缝，形成剪纸结构柔性传感器设计思路，该传感器具有一定的可拉伸性和生物相容性。然而，柔性Parylene C材料本身不具有良好变形能力，因此与人体表面贴合度较低，且机械强度不高，承受大变形时容易发生破损。
中国浙江大学Kaichen Xu,Yuyao Lu在Journal of Materials Chemistry C,2019,7(31):9609-9617撰文“Highly Stable Kirigami-Structured Stretchable StrainSensors for Perdurable Wearable Electronics”为提高应变传感器的稳定性，提出了Ecoflex聚合物硅胶内封装聚酰亚胺(Polyimide，PI)器件的方式，并采用图像化网格结构封装和整片薄膜结构封装两种方法。然而，由于Ecoflex和PI的弹性模量相差104倍，Ecoflex包裹PI形成的应变传感器，在大变形时存在应力失配。此外，该传感器采用单一应变敏感导电材料，发生变形时，检测方向与非检测方向电阻均发生变化，导致传感器单方向应变检测精度下降。
专利CN108716885公开了一种柔性应变传感器的制作方法，该传感器采用5层三明治结构，中间层为PDMS层，其上下两层分别为炭黑和PDMS混合组分的导电涂层，上下最外封装层也分别为PDMS材料。该传感器由于使用了弹性基底具有一定的延展能力，但未采用剪纸结构，基底贴附复杂曲面的变形能力有限。当手指大角度弯曲时，易从手指表面脱落，贴附性较差。
因此，需要开发出一种延展能力好、单方向应变精度高、贴附性强的可延展应变传感器，可有效解决目前应变传感器变形时非检测方向电阻变化引入误差，以及对手指大角度变形需求适应性较差等问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多材料剪纸结构可延展应变传感器及其制备方法，将应变敏感导电材料与应变非敏感导电材料相结合，引入剪纸结构以提高整体可延展能力和与手指的贴附性。制备步骤包括：首先将弹性基底贴附在玻璃片上；然后将应导电材料打印到弹性基底上并烘干；接下来将外接导线与导电材料进行粘接；之后在玻璃片上方继续旋涂一层液态弹性硅胶，固化后作为封装层；组后通过激光切割完成对应变传感器无导电材料区域的图形化加工，形成剪纸结构。该新型应变传感器对于提高单方向应变精度和手指弯曲适形能力具有重要实用价值，可有效减小手指弯曲变形时应变传感器非检测方向电阻变化误差，并通过剪纸结构狭缝自身扩张变形更好地适应大角度弯曲需要。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种多材料剪纸结构可延展应变传感器，包括弹性基底、外层封装和导电材料；
所述弹性基底上设置中间狭缝和边缘狭缝，形成剪纸结构；所述中间狭缝为在弹性基底中间部分切割而成的镂空长方形，边缘狭缝为在弹性基底边缘部分切割而成的镂空U形；
所述导电材料包括应变敏感导电材料和应变非敏感导电材料；所述导电材料以蛇形结构布置在弹性基底上，且与中间狭缝和边缘狭缝不干涉；
所述应变敏感导电材料沿弹性基底长度方向布置；所述应变非敏感导电材料沿弹性基底宽度方向布置，且与应变敏感导电材料相连接；
所述外层封装将导电材料封装在弹性基底上。
优选地，所述弹性基底采用聚二甲基硅氧烷PDMS或聚氨酯PU。
优选地，所述应变敏感导电材料采用碳纳米管或石墨烯基活性材料或其他弹性复合结构活性材料；所述应变非敏感导电材料采用低浓度导电粒子与弹性硅胶混合物。
优选地，所述弹性基底长度尺寸范围为10mm-70mm，宽度尺寸范围为2mm-20mm，厚度尺寸范围为0.1mm-2mm。
优选地，所述剪纸结构中间狭缝长度尺寸范围为1mm-15mm，中间狭缝宽度尺寸范围为0.1mm-0.5mm，边缘狭缝长度尺寸范围为0.5mm-8mm，宽度尺寸范围为0.1mm-0.5mm。
优选地，所述导电材料的线宽范围为0.1mm-2mm。
优选地，所述弹性基底采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料时，其中本体和固化剂比例为10:1，厚度为200μm，形状为长方形，尺寸为30mm×15mm。
一种多材料剪纸结构可延展应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将弹性基底贴附在喷涂有脱模剂的玻璃片上；
步骤2：利用微电子打印机将应变敏感导电材料通过点胶方式打印到弹性基底上并烘干，所述应变敏感导电材料沿弹性基底长度方向分布；
步骤3：利用微电子打印机将应变非敏感导电材料通过喷墨方式打印到弹性基底上并烘干，所述应变非敏感导电材料沿弹性基底宽度方向分布，并与应变敏感导电材料相连接；
步骤4：将外接导线与导电材料进行粘接；
步骤5：在玻璃片上方旋涂一层液态弹性硅胶，固化后作为封装层，将导电材料封装在弹性基底上；
步骤6：通过激光切割完成对弹性基底上无导电材料区域的图形化加工，形成剪纸结构，并将最终形成的可延展应变传感器从玻璃片剥离。
优选地，所述步骤2中烘干的条件为在120℃加热30分钟，步骤3中烘干的条件为在150℃加热20-30分钟。
优选地，所述步骤4将外接导线与导电材料进行粘接，所述外接导线为漆包细铜丝，将漆包细铜丝与导电材料通过导电银浆进行粘接，并在100℃条件下加热4小时左右烘干。
本发明的有益效果如下：
1、本发明同时引入应变非敏感导电材料和应变敏感导电材料，以提高单方向应变检测精度。现有的柔性应变传感器大多采用单一应变敏感导电材料，当发生变形时，应变传感器在检测方向和非检测方向电阻都会发生变化，给检测方向应变测量引入误差。为解决上述问题，本发明将应变敏感导电材料布置于检测方向，应变非敏感导电材料布置于垂直非检测方向，以降低非检测方向电阻变化影响，提高应变传感器单方向应变检测精度。
2、本发明在应变传感器的弹性基底引入剪纸结构，以提高整体可延展能力和与手指的贴附性。现有的多数应变传感器缺少结构设计优化，贴附性欠佳，难以满足手指大角度弯曲时的形变需求。为解决上述问题，本发明在弹性基底上借助激光切割加工方法形成剪纸结构，通过其狭缝自身扩张，应变传感器更好地适应手指大角度弯曲。
附图说明
图1为本发明多材料剪纸结构可延展应变传感器的结构设计示意图。
图2为本发明多材料剪纸结构可延展应变传感器的加工流程示意图。
图3为本发明多材料剪纸结构可延展应变传感器随手指伸直与弯曲的变形示意图。
图中：1-应变敏感导电材料，2-应变非敏感导电材料，3-中间狭缝，4-边缘狭缝，5-弹性基底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，多材料剪纸结构可延展应变传感器的结构设计主要分为导线设计和狭缝设计两部分。其中，导线设计总体采用蛇形布置方式，手指运动方向沿弹性基底长度方向，布置应变敏感导电材料1，手指运动垂直方向布置应变非敏感导电材料2。狭缝设计采取同步布置中间狭缝3和边缘狭缝4的布置方式。
一种多材料剪纸结构可延展应变传感器，包括弹性基底5、外层封装和导电材料；
所述弹性基底5上设置中间狭缝3和边缘狭缝4，形成剪纸结构；所述中间狭缝3为在弹性基底5中间部分切割而成的镂空长方形，边缘狭缝4为在弹性基底5边缘部分切割而成的镂空U形；
所述导电材料包括应变敏感导电材料1和应变非敏感导电材料2；所述导电材料以蛇形结构布置在弹性基底5上，且与中间狭缝3和边缘狭缝4不干涉；
所述应变敏感导电材料1沿弹性基底5长度方向布置；所述应变非敏感导电材料2沿弹性基底5宽度方向布置，且与应变敏感导电材料1相连接；
所述外层封装将导电材料封装在弹性基底5上。
优选地，所述弹性基底5采用聚二甲基硅氧烷PDMS或聚氨酯PU。
优选地，所述应变敏感导电材料1采用碳纳米管或石墨烯基活性材料或其他弹性复合结构活性材料；所述应变非敏感导电材料2采用低浓度导电粒子与弹性硅胶混合物。
优选地，所述弹性基底5长度尺寸范围为10mm-70mm，宽度尺寸范围为2mm-20mm，厚度尺寸范围为0.1mm-2mm。
优选地，所述剪纸结构中间狭缝3长度尺寸范围为1mm-15mm，中间狭缝3宽度尺寸范围为0.1mm-0.5mm，边缘狭缝4长度尺寸范围为0.5mm-8mm，宽度尺寸范围为0.1mm-0.5mm。
优选地，所述导电材料的线宽范围为0.1mm-2mm。
优选地，所述弹性基底5采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料时，其中本体和固化剂比例为10:1，厚度为200μm，形状为长方形，尺寸为30mm×15mm。
一种多材料剪纸结构可延展应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将弹性基底5贴附在喷涂有脱模剂的玻璃片上；
步骤2：利用微电子打印机将应变敏感导电材料1通过点胶方式打印到弹性基底5上并烘干，所述应变敏感导电材料1沿弹性基底5长度方向分布；
步骤3：利用微电子打印机将应变非敏感导电材料2通过喷墨方式打印到弹性基底5上并烘干，所述应变非敏感导电材料2沿弹性基底5宽度方向分布，并与应变敏感导电材料1相连接；
步骤4：将外接导线与导电材料进行粘接；
步骤5：在玻璃片上方旋涂一层液态弹性硅胶，固化后作为封装层，将导电材料封装在弹性基底5上；
步骤6：通过激光切割完成对弹性基底5上无导电材料区域的图形化加工，形成剪纸结构，并将最终形成的可延展应变传感器从玻璃片剥离。
优选地，所述步骤2中烘干的条件为在120℃加热30分钟，步骤3中烘干的条件为在150℃加热20-30分钟。
优选地，所述步骤4将外接导线与导电材料进行粘接，所述外接导线为漆包细铜丝，将漆包细铜丝与导电材料通过导电银浆进行粘接，并在100℃条件下加热4小时左右烘干。
具体实施例：
如图2所示，为一种典型多材料剪纸结构可延展应变传感器的加工流程，主要分为以下步骤：
第一步：将弹性基底5贴附在喷涂有脱模剂的玻璃片上；
弹性基底5采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料，其中，本体A和固化剂B比例为10:1，厚度为200μm，形状为长方形，尺寸为30mm×15mm。
第二步：利用微电子打印机将应变敏感导电材料1通过点胶方式打印到弹性基底5上，该材料沿手指方向即弹性基底长度方向分布，在120℃条件下加热30分钟。
其中应变敏感导电材料1采用的材料为碳纳米管。
第三步：利用微电子打印机将应变非敏感导电材料2通过喷墨方式打印到弹性基底5上并烘干，该材料沿与手指垂直方向即弹性基底宽度方向分布，并与应变敏感导电材料相连接，在150℃条件下加热20-30分钟。
其中应变非敏感导电材料2采用的材料为低浓度碳纳米管与PDMS混合物。
第四步：将漆包细铜丝与导电材料通过导电银浆进行粘接，并在100℃条件下加热4小时左右，完全烘干。
第五步：在玻璃片上方继续旋涂一层PDMS(A:B＝10:1)，90℃条件下加热3小时固化，厚度为200μm；
第六步：通过激光切割完成对应变传感器无导电材料区域的图形化加工，形成剪纸结构，并将最终形成的可延展应变传感器从玻璃片剥离。
其中中间狭缝3尺寸为7.5mm×0.5mm，边缘狭缝4尺寸为6mm×0.5mm。
如图3所示，当手指伸直时，应变传感器平贴于手指，导线处于初始状态，长度不变，狭缝基本无变形。当手指弯曲超过90度时，应变敏感导电材料1大体沿手指方向伸长，电阻变化显著；应变非敏感导电材料2沿手指垂直方向伸长，因其不敏感性，电阻基本无变化，很好地保证了应变传感器沿手指方向的应变检测精度；中间狭缝3和边缘狭缝4通过面外变形，提高手指弯曲时基底延展能力，满足高延展性和贴附性需要。
在另一具体实施例中，首先使用聚氨酯(PU)材料对图1中的弹性基底5进行替换，并在弹性基底5下部沿长边方向等间距布置6排弹性微吸盘，每排放置3个，并避开狭缝位置。微吸盘结构底部为圆形，半径为0.5mm，以进一步增强与手指皮肤的贴合能力，并在应变传感器弹性基底5与皮肤表面提供微小间距，以提高透气性，便于汗液挥发。另外，还可以采用具有粘性的材料，如高强度粘性水凝胶作为弹性基底5，使应变传感器更加牢靠地粘附于手指表面。
在另一具体实施例中，采用3D打印技术代替激光切割技术，加工手段由减材制造转变为增材制造，有效提高了器件的制作效率并节约用材。图2中步骤一的弹性基底5，可按照预先设计的狭缝位置，进行3D打印直接成形；步骤5的封装材料，也可直接3D打印成形，免去后续激光切割狭缝步骤。另外，通过3D打印很大程度上解决了激光切割引起的弹性基底5的烧蚀问题。

Claims (10)

1.一种多材料剪纸结构可延展应变传感器，其特征在于，包括弹性基底、外层封装和导电材料；
所述弹性基底上设置中间狭缝和边缘狭缝，形成剪纸结构；所述中间狭缝为在弹性基底中间部分切割而成的镂空长方形，边缘狭缝为在弹性基底边缘部分切割而成的镂空U形；
所述导电材料包括应变敏感导电材料和应变非敏感导电材料；所述导电材料以蛇形结构布置在弹性基底上，且与中间狭缝和边缘狭缝不干涉；
所述应变敏感导电材料沿弹性基底长度方向布置；所述应变非敏感导电材料沿弹性基底宽度方向布置，且与应变敏感导电材料相连接；
所述外层封装将导电材料封装在弹性基底上。
2.根据权利要求1所述的一种多材料剪纸结构可延展应变传感器，其特征在于，所述弹性基底采用聚二甲基硅氧烷PDMS或聚氨酯PU。
3.根据权利要求1所述的一种多材料剪纸结构可延展应变传感器，其特征在于，所述应变敏感导电材料采用碳纳米管或石墨烯基活性材料或其他弹性复合结构活性材料；所述应变非敏感导电材料采用低浓度导电粒子与弹性硅胶混合物。
4.根据权利要求1所述的一种多材料剪纸结构可延展应变传感器，其特征在于，所述弹性基底长度尺寸范围为10mm-70mm，宽度尺寸范围为2mm-20mm，厚度尺寸范围为0.1mm-2mm。
5.根据权利要求1所述的一种多材料剪纸结构可延展应变传感器，其特征在于，所述剪纸结构中间狭缝长度尺寸范围为1mm-15mm，中间狭缝宽度尺寸范围为0.1mm-0.5mm，边缘狭缝长度尺寸范围为0.5mm-8mm，宽度尺寸范围为0.1mm-0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种多材料剪纸结构可延展应变传感器，其特征在于，所述导电材料的线宽范围为0.1mm-2mm。
7.根据权利要求2所述的一种多材料剪纸结构可延展应变传感器，其特征在于，所述弹性基底采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料时，其中本体和固化剂比例为10:1，厚度为200μm，形状为长方形，尺寸为30mm×15mm。
8.一种如权利要求1所述的多材料剪纸结构可延展应变传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将弹性基底贴附在喷涂有脱模剂的玻璃片上；
步骤2：利用微电子打印机将应变敏感导电材料通过点胶方式打印到弹性基底上并烘干，所述应变敏感导电材料沿弹性基底长度方向分布；
步骤3：利用微电子打印机将应变非敏感导电材料通过喷墨方式打印到弹性基底上并烘干，所述应变非敏感导电材料沿弹性基底宽度方向分布，并与应变敏感导电材料相连接；
步骤4：将外接导线与导电材料进行粘接；
步骤5：在玻璃片上方旋涂一层液态弹性硅胶，固化后作为封装层，将导电材料封装在弹性基底上；
步骤6：通过激光切割完成对弹性基底上无导电材料区域的图形化加工，形成剪纸结构，并将最终形成的可延展应变传感器从玻璃片剥离。
9.根据权利要求8所述的一种多材料剪纸结构可延展应变传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中烘干的条件为在120℃加热30分钟，步骤3中烘干的条件为在150℃加热20-30分钟。
10.根据权利要求8所述的一种多材料剪纸结构可延展应变传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤4将外接导线与导电材料进行粘接，所述外接导线为漆包细铜丝，将漆包细铜丝与导电材料通过导电银浆进行粘接，并在100℃条件下加热4小时左右烘干。
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