CN114076564B - 基于负泊松比结构的应变传感器阵列及其制备方法和应用 - Google Patents
基于负泊松比结构的应变传感器阵列及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114076564B CN114076564B CN202010842975.4A CN202010842975A CN114076564B CN 114076564 B CN114076564 B CN 114076564B CN 202010842975 A CN202010842975 A CN 202010842975A CN 114076564 B CN114076564 B CN 114076564B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- flexible
- strain
- layer
- sensing
- array
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000009459 flexible packaging Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims abstract description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 33
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 21
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 8
- DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N dibutyl phthalate Chemical compound CCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCC DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 8
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 8
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 claims description 8
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 7
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 claims description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229920000178 Acrylic resin Polymers 0.000 claims description 6
- 239000004925 Acrylic resin Substances 0.000 claims description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000001856 Ethyl cellulose Substances 0.000 claims description 6
- ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N Ethyl cellulose Chemical compound CCOCC1OC(OC)C(OCC)C(OCC)C1OC1C(O)C(O)C(OC)C(CO)O1 ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 6
- 229920001249 ethyl cellulose Polymers 0.000 claims description 6
- 235000019325 ethyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 6
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 5
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 5
- VXQBJTKSVGFQOL-UHFFFAOYSA-N 2-(2-butoxyethoxy)ethyl acetate Chemical compound CCCCOCCOCCOC(C)=O VXQBJTKSVGFQOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WUOACPNHFRMFPN-UHFFFAOYSA-N alpha-terpineol Chemical compound CC1=CCC(C(C)(C)O)CC1 WUOACPNHFRMFPN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- SQIFACVGCPWBQZ-UHFFFAOYSA-N delta-terpineol Natural products CC(C)(O)C1CCC(=C)CC1 SQIFACVGCPWBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 4
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 claims description 4
- 229940116411 terpineol Drugs 0.000 claims description 4
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 15
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 4
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 4
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 3
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 3
- 229920000570 polyether Polymers 0.000 description 3
- 239000013008 thixotropic agent Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 2
- 206010070834 Sensitisation Diseases 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical group O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000002671 adjuvant Substances 0.000 description 1
- 125000001931 aliphatic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000004359 castor oil Substances 0.000 description 1
- 235000019438 castor oil Nutrition 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 229910021485 fumed silica Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- ZEMPKEQAKRGZGQ-XOQCFJPHSA-N glycerol triricinoleate Natural products CCCCCC[C@@H](O)CC=CCCCCCCCC(=O)OC[C@@H](COC(=O)CCCCCCCC=CC[C@@H](O)CCCCCC)OC(=O)CCCCCCCC=CC[C@H](O)CCCCCC ZEMPKEQAKRGZGQ-XOQCFJPHSA-N 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 description 1
- 239000002952 polymeric resin Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000008313 sensitization Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000003981 vehicle Substances 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
- G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
- G01B7/20—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance formed by printed-circuit technique
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D11/00—Inks
- C09D11/02—Printing inks
- C09D11/03—Printing inks characterised by features other than the chemical nature of the binder
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D11/00—Inks
- C09D11/02—Printing inks
- C09D11/10—Printing inks based on artificial resins
- C09D11/106—Printing inks based on artificial resins containing macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
- C09D11/107—Printing inks based on artificial resins containing macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from unsaturated acids or derivatives thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D11/00—Inks
- C09D11/02—Printing inks
- C09D11/14—Printing inks based on carbohydrates
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
本发明提供一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列及其制备方法和应用，涉及传感器领域。该应变传感器阵列包括依次层叠设置的柔性封装层、压阻敏感层和柔性基底层；所述压阻敏感层包括：应变传感阵列，所述应变传感阵列由若干个传感单元相互连接而成，所述传感单元具有负泊松比性质；柔性电极，所述柔性电极与所述应变传感阵列的两端连接；传感线路，所述传感线路与所述柔性电极连接，所述传感线路用于为所述柔性电极和所述应变传感阵列传输电流；薄膜基片，所述薄膜基片与所述应变传感阵列的一面贴合，所述薄膜基片用于负载所述应变传感阵列和所述柔性电极。本发明的应变传感器阵列具有高灵敏度、大拉伸的特点，可应用于可穿戴电子设备。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列及其制备方法和应用。
背景技术
传统的应变传感器因自身材料的性质，其柔韧性和可拉伸性受到很大的限制，在许多要求延展性的可穿戴电子设备等新兴领域越来越不适用，尤其是以电子皮肤为代表，被用来检测人体大幅度的手、胳膊和腿的弯曲移动等活动。目前，单个应变传感器在智能机器人的活动反馈、车辆超载检测、安全驾驶等方面都有很好的应用。但是，单个传感器检测范围有限，要实现大面积柔性曲面的应变检测以及智能交互，需要制作柔性应变传感器阵列。
现有的柔性应变传感器存在传感应力方向单一、应变灵敏度不高的问题，例如公开号为CN106468533A的专利申请，该申请公开了一种石墨烯应变传感器阵列，其传感单元石墨烯三维纳米墙或微片附着于具有微结构的弹性聚合物树脂上，但是这种方式受限于石墨烯材料的刚性结构，传感单元的应变范围受限，且灵敏度不高。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列，具有高灵敏度、大拉伸的特点。
一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列，包括依次层叠设置的柔性封装层、压阻敏感层和柔性基底层；
所述压阻敏感层包括：
应变传感阵列，所述应变传感阵列由若干个传感单元相互连接而成，所述传感单元具有负泊松比性质；
柔性电极，所述柔性电极与所述应变传感阵列的两端连接；
传感线路，所述传感线路与所述柔性电极连接，所述传感线路用于为所述柔性电极和所述应变传感阵列传输电流；
薄膜基片，所述薄膜基片与所述应变传感阵列的一面贴合，所述薄膜基片用于负载所述应变传感阵列和所述柔性电极。
上述应变传感器阵列，压阻敏感层的上层和下层均采用柔性材料，压阻敏感层采用负泊松比结构，整体结构上实现了传感器的可拉伸性能；采用多个负泊松比结构相互连接形成应变传感器陈列，使得传感器在受到纵向拉伸时，横向变形为零或者膨胀，增加双向拉伸的大变形的同时也增加了灵敏度和测量范围。本发明的应变传感器阵列可以实现在横向和纵向两个方向的应变变化检测，减少传统应变传感器在细微应变检测中，由于薄膜弹性体在拉伸下承受横向泊松压缩导致的低灵敏度的限制，有助于提高传感器连接的稳定性，提升传感器的应变灵敏度。
在其中一个实施例中，所述传感单元为中空的内凹六角蜂窝状，所述内凹六角蜂窝的长度为15～20mm，高度为10～15mm，边缘宽度为1～2mm，内角为45°～75°。该形状、尺寸和角度的传感单元，可以大幅度提升传感器敏感性，并保证结构的完整性；有助于大拉伸应变下的灵敏度的提高，其主要增敏机理是负泊松比和应变集中的协同效应。
传感单元也可以是其它负泊松比结构，如双箭头型、人字形、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、中心旋转四面体、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形、铰接三角形或以上几种的组合图形。
在其中一个实施例中，所述内凹六角蜂窝的长度为15mm，高度为12mm，边缘宽度为1.5mm，内角为60°。
在其中一个实施例中，所述应变传感阵列由石墨烯油墨制成，所述石墨烯油墨的方阻为1～100kΩ/□。优选地，所述石墨烯油墨的方阻为10～30kΩ/□。该电阻值的压阻敏感层有助于传感器在大拉伸应变下的灵敏度的提高，适合作为可穿戴设备的传感器。
在其中一个实施例中，所述石墨烯油墨由以下重量份的原料制备而成：
所述无机导电碳材料中包括石墨烯和单壁碳纳米管，所述石墨烯和所述单壁碳纳米管的质量比为(5～10)：1。
在其中一个实施例中，所述石墨烯的片径＜5μm，长度＞5μm；所述单壁碳纳米管的直径＜2nm。
在其中一个实施例中，所述乙基纤维素的粘度为1～100mPa·s。
在其中一个实施例中，所述丙烯酸树脂的分子量为20000～30000。
在其中一个实施例中，所述溶剂选用松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯和邻苯二甲酸二丁酯的混合溶剂。优选地，松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯和邻苯二甲酸二丁酯的质量比为10～15：5～13：0.5～2。
在其中一个实施例中，所述助剂包括分散剂、触变剂和流平剂。其中，分散剂选自聚丙烯酸胺盐类、磷酸酯胺盐类、脂肪族多元羧酸或聚醚磷酸酯类分散剂，更优选为聚醚磷酸酯胺盐；所述触变剂选自气相二氧化硅、蓖麻油以及聚酰胺等，更优选为改性聚酰胺蜡；所述流平剂选自改性有机硅。
在其中一个实施例中，所述柔性封装层和所述柔性基底层均为聚二甲基硅氧烷(PDMS)材质。
在其中一个实施例中，所述柔性电极采用方阻为10～30mΩ/□的导电油墨制成。
在其中一个实施例中，所述薄膜基片为聚酰亚胺(PI)材质。考虑到传感器对环境温度非常敏感，PI材料增加了信号的稳定性、力学性能、可靠性及寿命。
本发明还提供一种上述应变传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：
S1、取薄膜基片，清洗，干燥，备用；
S2、将乙基纤维素和丙烯酸树脂溶于溶剂中，加入无机导电碳材料，再加入助剂，混合均匀，研磨，得到石墨烯油墨；通过丝网印刷将石墨烯油墨印刷至薄膜基片上，烘干，得到应变传感阵列；
S3、通过丝网印刷将导电油墨印刷到应变传感阵列两端的薄膜基片上，得到柔性电极，在柔性电极上连接传感线路；
S4、将薄膜基片上未印刷石墨烯油墨和导电油墨的部分切割掉，得到压阻敏感层；
S5、将压阻敏感层的一面贴合柔性封装层，另一面贴合和柔性基底层，去除气泡，加热固化，即得应变传感器阵列。
上述制备方法，简单、快速、一致性好；其中，丝网印刷方法成熟，成本低廉，适宜于批量化生产；采用柔性电极，可以减少导线和结构的复杂程度，增加了整体的柔性，使其更易于阵列化，避免了布线的繁琐。该方法制备得到的应变传感器阵列，具有稳定性好、灵敏度高的特点。
在其中一个实施例中，所述步骤S1中，采用乙醇、丙酮或水对薄膜基片进行超声清洗，干燥后再采用等离子清洗(Plasma)处理。
在其中一个实施例中，所述步骤S2中，石墨烯油墨研磨至细度≤10μm，在印刷前将石墨烯油墨的粘度调节为10～1000Pa·s。
在其中一个实施例中，所述步骤S4中，采用紫外激光对薄膜基片进行切割。激光切割技术方法成熟，成本低廉，适宜于批量化生产。
在其中一个实施例中，所述步骤S5中，先用氧等离子体处理薄膜基片，再将压阻敏感层分别与柔性封装层和柔性基底层贴合，采用抽真空的方式去除压阻敏感层和柔性封装层/柔性基底层之间的气泡。
本发明另一方面还提供一种上述应变传感器阵列在制备可穿戴电子设备中的应用。可穿戴设备的工作电压一般为2～5V，本发明的应变传感器阵列具有合适的电阻值，可适用于可穿戴设备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的应变传感器阵列，压阻敏感层的上层和下层均采用柔性材料，压阻敏感层采用负泊松比结构，整体结构上实现了传感器的可拉伸性能；采用多个负泊松比结构相互连接形成应变传感器陈列，使得传感器在受到纵向拉伸时，横向变形为零或者膨胀，增加双向拉伸的大变形的同时也增加了灵敏度和测量范围。本发明的应变传感器阵列可以实现在横向和纵向两个方向的应变变化检测，减少传统应变传感器在细微应变检测中，由于薄膜弹性体在拉伸下承受横向泊松压缩导致的低灵敏度的限制，有助于提高传感器连接的稳定性，提升传感器的应变灵敏度。本发明的应变传感器阵列可应用于可穿戴电子设备中。
本发明的制备方法，简单、快速、一致性好，得到的应变传感器阵列，具有稳定性好、灵敏度高的特点。
附图说明
图1为实施例中基于负泊松比结构的应变传感器阵列结构图；
图2为实施例中压阻敏感层的结构图；
图3为实施例中内凹六角形蜂窝状传感单元的结构图；
图4为无拉胀结构的传感器的敏感层结构；
图5为纵向拉伸测试对比图；
图6为不同角度传感单元的应变云图；
图7为实施例1和对比例1的传感器相对电阻随应变的变化图；
图8为实施例1和实施例2的传感器相对电阻随应变的变化图。
图中，1、柔性封装层；2、压阻敏感层；3、柔性基底层；201、应变传感阵列；202、柔性电极；203、传感线路；204、薄膜基片；w、长度；h、高度；b、边缘宽度；α、内角。
具体实施方式
为了便于理解本发明，以下将给出较佳实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列，如图1所示，包括依次层叠设置的柔性封装层1、压阻敏感层2和柔性基底层3。其中，柔性封装层1和柔性基底层3选用PDMS薄膜。
如图2所示，压阻敏感层2包括应变传感阵列201、柔性电极202、传感线路203和薄膜基片204。应变传感阵列201由若干个传感单元相互紧密连接而成，传感单元可以设计为空心的内凹六角蜂窝状，如图3所示，内凹六角蜂窝的长度w为15mm，高度h为12mm，边缘宽度b为1.5mm，内角α为60°。两个柔性电极202连接与应变传感阵列201的上下两端连接，每个柔性电极202连接一条传感线路203，传感线路203用于为柔性电极202和应变传感阵列201传输电流。薄膜基片204与应变传感阵列201的一面贴合，薄膜基片204用于负载应变传感阵列201和柔性电极202，薄膜基片204选用PI薄膜。
上述应变传感器阵列通过以下方法制备得到：
(1)取一块厚度为75～160μm的PI薄膜，用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对玻璃底板进行超声清洗，干燥，再采用Plasma处理，备用。
(2)称取10g黏度为100mPa·s的乙基纤维素，7g分子量为20000～30000的丙烯酸树脂，加入至混合溶剂中，在60～80℃下搅拌溶解得到均一的树脂液，加入13g无机导电碳材料，再加入1.1g聚醚磷酸酯胺盐分散剂(HIPLAAD ED152)、1.2g改性聚酰胺蜡触变剂(THIXATROL PLUS)、1g改性有机硅(BYK-310)，混合均匀，经三辊研磨得到细度＜10μm的石墨烯油墨，控制干燥后油墨线条的方阻为1～100kΩ/□，优选为10～30kΩ/□；调节石墨烯油墨的粘度为500Pa·s，将石墨烯油墨倒入丝网印刷机网版内，通过丝网印刷将石墨烯油墨印刷至PI薄膜上，在180℃下烘干除去溶剂，得到如图2中图案的应变传感阵列；其中，混合溶剂中松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯和邻苯二甲酸二丁酯的质量比为15：13：1.5；无机导电碳材料包括石墨烯和单壁碳纳米管，石墨烯和单壁碳纳米管的质量比为8:1，石墨烯的平均片径为4μm，平均长度为7μm，单壁碳纳米管的平均管径为1.5nm。
(3)通过丝网印刷将方阻为22mΩ/□的普通导电油墨印刷到应变传感阵列两端的薄膜基片上，得到柔性电极，在柔性电极上连接传感线路。
(4)利用紫外激光将PI薄膜基片上未涂上石墨烯油墨和导电油墨的部分切割掉，得到压阻敏感层。
(5)在压阻敏感层两面分别贴合一张PDMS薄膜，采用抽真空的方式去除薄膜之间的气泡，加热固化，即得应变传感器阵列。
实施例2
一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列，与实施例1基本相同，区别在于：内凹六角蜂窝的长度w为15mm，高度h为12mm，边缘宽度b为1.5mm，内角α为45°，如图6所示。
实施例3
一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列，与实施例1基本相同，区别在于：内凹六角蜂窝的长度w为15mm，高度h为12mm，边缘宽度b为1.5mm，内角α为75°，如图6所示。
对比例1
一种传感器，包括依次层叠设置的柔性封装层、压阻敏感层和柔性基底层，压阻敏感层不采用负泊松比结构设计，而是采用如图4所示结构。
实验例1
将实施例1和对比例1的传感器进行纵向拉伸测试，其横向位移随纵向位移变化如图5所示。从图中可以看出，实施例1(有拉胀结构)和对比例1(无拉胀结构)的传感器，在纵向拉伸过程中，横向变形有很大差异。对于对比例1，在拉伸变形过程中，在局部产生应变较大，使得压阻敏感层形成较长的裂纹，原有的导电通路局部被阻断，电阻显著增加。
实验例2
对实施例1-3的传感器进行应变云分析，结果如图6所示。从图中可以看出，实施例1的传感器相比于实施例2-3的传感器具有更明显的应变集中，可以满足人体可穿戴设备较大变形(＞30％)的要求，也能保证传感器结构的完整性。
实验例3
对实施例1-2和对比例1的传感器进行电阻测试，相对电阻随应变变化的趋势如图7-8所示。图7为实施例1和对比例1的对比图，图8为实施例1和实施例2的对比图。从图中可以看出，相比于对比例1的传感器，实施例的传感器电阻明显变化率更高，而实施例1的电阻变化率高于实施例2。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列，其特征在于，包括依次层叠设置的柔性封装层、压阻敏感层和柔性基底层；
所述压阻敏感层包括：
应变传感阵列，所述应变传感阵列由若干个传感单元相互连接而成，所述传感单元具有负泊松比性质；
柔性电极，所述柔性电极与所述应变传感阵列的两端连接；
传感线路，所述传感线路与所述柔性电极连接，所述传感线路用于为所述柔性电极和所述应变传感阵列传输电流；
薄膜基片，所述薄膜基片与所述应变传感阵列的一面贴合，所述薄膜基片用于负载所述应变传感阵列和所述柔性电极；
所述传感单元为中空的内凹六角蜂窝状，所述内凹六角蜂窝的长度为15 mm，高度为12mm，边缘宽度为1.5 mm，内角为60°；
所述应变传感阵列由石墨烯油墨制成，所述石墨烯油墨的方阻为1~100 kΩ/□；
所述石墨烯油墨由以下重量份的原料制备而成：
乙基纤维素10~20份，
丙烯酸树脂10~20份，
溶剂20~60份，
无机导电碳材料5~30份，
助剂1~5份，
所述无机导电碳材料中包括石墨烯和单壁碳纳米管，所述石墨烯和所述单壁碳纳米管的质量比为（5~10）：1。
2. 根据权利要求1所述的应变传感器阵列，其特征在于，所述乙基纤维素的粘度为1~100 mPa·s；所述丙烯酸树脂的分子量为20000~30000；所述溶剂选用松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯和邻苯二甲酸二丁酯的混合溶剂。
3.根据权利要求1所述的应变传感器阵列，其特征在于，所述柔性封装层和所述柔性基底层均为聚二甲基硅氧烷材质；
所述柔性电极采用方阻为10~30 mΩ/□的导电油墨制成；
所述薄膜基片为聚酰亚胺材质。
4.一种如权利要求1~3任一项所述的应变传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取薄膜基片，清洗，干燥，备用；
S2、将乙基纤维素和丙烯酸树脂溶于溶剂中，加入无机导电碳材料，再加入助剂，混合均匀，研磨，得到石墨烯油墨；通过丝网印刷将石墨烯油墨印刷至薄膜基片上，烘干，得到应变传感阵列；
S3、通过丝网印刷将导电油墨印刷到应变传感阵列两端的薄膜基片上，得到柔性电极，在柔性电极上连接传感线路；
S4、将薄膜基片上未印刷石墨烯油墨和导电油墨的部分切割掉，得到压阻敏感层；
S5、将压阻敏感层的一面贴合柔性封装层，另一面贴合柔性基底层，去除气泡，加热固化，即得应变传感器阵列。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用乙醇、丙酮或水对薄膜基片进行超声清洗，干燥后再采用等离子清洗处理；
所述步骤S2中，石墨烯油墨研磨至细度≤10 μm，在印刷前将石墨烯油墨的粘度调节为10~1000 Pa·s；
所述步骤S4中，采用紫外激光对薄膜基片进行切割；
所述步骤S5中，先用氧等离子体处理薄膜基片，再将压阻敏感层分别与柔性封装层和柔性基底层贴合，采用抽真空的方式去除压阻敏感层和柔性封装层/柔性基底层之间的气泡。
6.一种如权利要求1~3任一项所述的应变传感器阵列在制备可穿戴电子设备中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010842975.4A CN114076564B (zh) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | 基于负泊松比结构的应变传感器阵列及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010842975.4A CN114076564B (zh) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | 基于负泊松比结构的应变传感器阵列及其制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114076564A CN114076564A (zh) | 2022-02-22 |
| CN114076564B true CN114076564B (zh) | 2024-02-20 |
Family
ID=80281819
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010842975.4A Active CN114076564B (zh) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | 基于负泊松比结构的应变传感器阵列及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114076564B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114964573A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-30 | 通富微电子股份有限公司 | 一种压力传感器的制作方法及压力传感器 |
| CN115530835A (zh) * | 2022-10-21 | 2022-12-30 | 吉林大学 | 一种适用于智能假肢的电极系统 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104153128A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-11-19 | 青岛大学 | 一种基于有序排列扭曲结构柔性可拉伸器件的制备方法 |
| CN106197774A (zh) * | 2016-07-20 | 2016-12-07 | 上海交通大学 | 柔性压阻式触觉传感器阵列及其制备方法 |
| CN106468533A (zh) * | 2016-09-29 | 2017-03-01 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种石墨烯应变传感器阵列 |
| CN106894133A (zh) * | 2017-03-03 | 2017-06-27 | 东华大学 | 一种电阻式可拉伸多维力传感纱线 |
| CN107276451A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-10-20 | 南京航空航天大学 | 基于介电型电活性聚合物的内凹六边形负泊松比结构 |
| CN207828902U (zh) * | 2018-01-31 | 2018-09-07 | 张重远 | 坝体固定锚杆、大坝加固恒阻锚杆装置群和坝体监测系统 |
| CN109827681A (zh) * | 2019-02-19 | 2019-05-31 | 东南大学 | 一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法 |
| CN110065267A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-07-30 | 京东方科技集团股份有限公司 | 可形变材料、形变结构、Micro-LED显示装置、应变传感器 |
| KR20190090341A (ko) * | 2018-01-24 | 2019-08-01 | 서울대학교산학협력단 | 캐패시터형 스트레인 센서 및 그 제조방법 |
| CN110514331A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-11-29 | 东华大学 | 基于拉胀结构的高灵敏度、大拉伸应变传感器及其应用 |
-
2020
- 2020-08-20 CN CN202010842975.4A patent/CN114076564B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104153128A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-11-19 | 青岛大学 | 一种基于有序排列扭曲结构柔性可拉伸器件的制备方法 |
| CN106197774A (zh) * | 2016-07-20 | 2016-12-07 | 上海交通大学 | 柔性压阻式触觉传感器阵列及其制备方法 |
| CN106468533A (zh) * | 2016-09-29 | 2017-03-01 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种石墨烯应变传感器阵列 |
| CN106894133A (zh) * | 2017-03-03 | 2017-06-27 | 东华大学 | 一种电阻式可拉伸多维力传感纱线 |
| CN107276451A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-10-20 | 南京航空航天大学 | 基于介电型电活性聚合物的内凹六边形负泊松比结构 |
| KR20190090341A (ko) * | 2018-01-24 | 2019-08-01 | 서울대학교산학협력단 | 캐패시터형 스트레인 센서 및 그 제조방법 |
| CN207828902U (zh) * | 2018-01-31 | 2018-09-07 | 张重远 | 坝体固定锚杆、大坝加固恒阻锚杆装置群和坝体监测系统 |
| CN109827681A (zh) * | 2019-02-19 | 2019-05-31 | 东南大学 | 一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法 |
| CN110065267A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-07-30 | 京东方科技集团股份有限公司 | 可形变材料、形变结构、Micro-LED显示装置、应变传感器 |
| CN110514331A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-11-29 | 东华大学 | 基于拉胀结构的高灵敏度、大拉伸应变传感器及其应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 负泊松比材料和结构的研究进展;任鑫;《力学学报》;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114076564A (zh) | 2022-02-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114076564B (zh) | 基于负泊松比结构的应变传感器阵列及其制备方法和应用 | |
| Zhu et al. | Highly sensitive and flexible tactile sensor based on porous graphene sponges for distributed tactile sensing in monitoring human motions | |
| Tewari et al. | Highly exfoliated MWNT–rGO ink-wrapped polyurethane foam for piezoresistive pressure sensor applications | |
| US20220026298A1 (en) | Conductive paste for preparing flexible porous piezoresistive sensor, method for making same and application thereof | |
| US10634482B2 (en) | Flexible sensor apparatus | |
| Jeong et al. | Flexible resistive pressure sensor with silver nanowire networks embedded in polymer using natural formation of air gap | |
| CN110095211B (zh) | 一种可拉伸触觉传感器阵列及其制备方法 | |
| USRE49626E1 (en) | Piezoresistive ink, methods and uses thereof | |
| US9212960B2 (en) | Nanostructures with strain-induced resistance | |
| CN113372609B (zh) | 一种多孔柔性gnp/pdms复合材料及其制备方法和在应变传感器中的应用 | |
| CN112229317A (zh) | 具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜及其制备方法 | |
| Luo et al. | A stretchable and printable PEDOT: PSS/PDMS composite conductors and its application to wearable strain sensor | |
| Hwang et al. | Stretchable carbon nanotube conductors and their applications | |
| CN113237419B (zh) | 一种高灵敏度柔性电容式应变传感器及其制备方法 | |
| CN113916416B (zh) | 一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤及其制备方法 | |
| CN114705334B (zh) | 一种线性压阻式触觉传感器及其制备方法 | |
| CN113008124B (zh) | 一种多模式传感器及其制备方法 | |
| CN209820394U (zh) | 一种柔性可拉伸应变传感器 | |
| CN210154720U (zh) | 一种高灵敏度电子皮肤 | |
| Ren et al. | PEDOT: PSS/Natural Rubber Latex Inks for Screen‐Printing Multifunctional Wearable Strain–Humidity Sensors | |
| Zhang et al. | Highly sensitive flexible pressure sensor based on microstructured PDMS for wearable electronics application | |
| Chen et al. | Direct-write fabrication of flexible array pressure sensor for monitoring position distribution | |
| CN110987288A (zh) | 一种导电复合微球及其制备方法和应用、包含其的柔性压力传感器 | |
| CN111780901B (zh) | 能同时检测力的大小和方向的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器 | |
| CN116376290A (zh) | 一种用于3d打印的导电复合材料、其制备方法、基于其的柔性应变传感器及其制造工艺 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |