CN114486011B - 一种液态金属触碰压力传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种液态金属触觉压力传感器的制备方法，是以聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基体，通过激光雕刻电路，并向电路中填充液态金属合金，再用柔性传感纤维覆在其表面，封装形成触碰压力传感器，所述柔性传感纤维是以碳纤维丝为内核，液态金属合金为外壳，并用聚乙烯醇（PVA）封装的柔性传感纤维丝正交编织形成。本发明制备的液态金属触碰压力传感器有效缓解了传感器中液态金属变形时产生的应力集中，提高了检测灵敏度，在100KPa压力下检测其阻值变化率达到3.94，且灵敏度呈明显的线性变化，在重复检测100次后，其阻值变化率依然保持在3.9，具有优异的稳定性和一致性，其检测极限较低至0.0008KPa。

Description

一种液态金属触碰压力传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及液态金属技术领域，具体涉及一种液态金属触碰压力传感器的制备方法。

背景技术

人类皮肤具有触觉传感功能，可对外界环境进行感知。触觉传感可将人类可感知如温度、气流、力、光线等一系类周围环境变化，通过神经系统进行感知。具有触觉感知材料，可应用于智能机械、可穿戴设备和医疗装备等，具有很大应用前景和经济效应。通过测量接触力、按压力，可以具有基础的压力传感功能，从而感知物体硬度、粗糙度等物质信息，监测脉搏、心跳等生理信号。通过感受触碰、压力信号，并将该信号转换成输出的电信号。高密度的传感器阵列能够执行高分辨率触觉响应。部分自供器件还具有触觉和能量收集能力。

随着信息化时代不断推进，智能化已经无法避免，传感器就如人的神经一样起到传递信息的作用，传感器的发展很重要。不断涌现出各种高灵敏度、低检测极限、快速响应的传感器。然而，如何使传感器同时具备优异的电学性能和机械拉伸性能仍然是该技术领域面临的挑战。目前，采用液态金属制备的压力嵌入柔性材料中制备的传感器件，克服了传统传感器重复性低，易脆等缺陷。通过对液态金属传感器件的研究，在不同材料中改变微通道的宽度，可以定量控制填充液态金属，可制作出更细、更灵敏的微米级液态金属传感器件。但是现有的液态金属压力传感器依然存在检测限高，灵敏度低，灵敏度的非线性程度较大，重复稳定性和一致性差，在此基础上改进液态金属填充及组装应用技术，进而提高触觉灵敏度，为新兴传感领域提供可解决的方案。

发明内容

本发明目的在于提供一种高灵敏度度、低检测限的液态金属触觉压力传感器的制备方法。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种液态金属触觉压力传感器的制备方法，其特征在于：以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基体，通过激光雕刻电路，并向电路中填充液态金属合金，再用柔性传感纤维覆在其表面，封装形成触碰压力传感器，所述柔性传感纤维是以碳纤维丝为内核，液态金属合金为外壳，并用聚乙烯醇(PVA)封装的柔性传感纤维丝正交编织形成。

进一步，上述柔性传感纤维中，碳纤维丝的直径为100～500μm，长度为10～20cm，在其表面喷涂液态金属合金5～20s，喷涂厚度为20～30μm，然后再喷涂PVA溶液5～20s，喷涂厚度为5～10μm。

进一步，上述柔性传感纤维的正交编织密度为10～20根/cm²，经线和纬线数量为1:1。

上述PVA溶液是将PVA加入去离子水中，在70～80℃下搅拌至粘稠状，PVA和去离子水的质量比为10:1。

由于制单一的惠斯通电路液态金属压力传感器，微米级的惠斯通电路的特殊结构，在一定程度上会提高传感器的检测灵敏度，但是也会导致液态金属在PDMS内部形变后会产生较大的应力集中，导致非线性程度较大，在不同位置上受到压力后的阻力变化不一致，重复稳定性和一致性差。因而采用表面覆盖一层正交编织的柔性传感纤维，起到过渡作用，经过柔性传感纤维的变形其横截面积和内部液态金属的颗粒密度变化对所受压力进行调整，进一步分散，传递到下层惠斯通液态金属通路时压力趋近于均匀分布，使得下层的液态金属截面变化时降低了应力集中现象，此外，柔性传感纤维本身也具有传感功能，与下层液态金属惠斯通电路复合后，在受到外界触碰或压力时，内部电阻也会发生变化，产生电信号，与下层的惠斯通液态金属产生信号交互影响，进一步提高了传感精度，降低检测限。

进一步，上述液态金属合金是采用金属镓和金属铟、锡、铋、锌、铅中的任意一种或多种混合，在55～65℃下搅拌形成。

进一步，所述PDMS基体是将主剂PDMS和固化剂按照质量比为10:1混合，真空中静置30min形成PDMS溶液，然后旋涂在玻璃片上，然后在紫外光下固化10～12h。

上述旋涂速率为3000～4000rpm，旋涂时间为10～15s。

进一步，上述激光雕刻电路是在PDMS基体表面铺上一层PVC(聚氯乙烯)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或硬纸，通过激光在其表面雕刻惠斯通电路，雕刻速度为300～500mm/min，激光移动速度为500～700mm/min，雕刻强度为5，雕刻完成形成电路模板。

进一步，上述填充液态金属合金是将液态金属合金高压喷到电路模板上，对电路进行填充，填充完成后，剥离PDMS基体表面的PVC、PET或硬纸。

进一步，上述封装是将铜丝固定在填充了液态金属合金的惠斯通电路的4个引脚衔接位置，表面覆盖了柔性传感纤维后，进一步滴加PDMS溶液至完全覆盖柔性传感纤维，在紫外灯下进行固化。

最具体的，一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤1、制备液态金属合金

采用金属镓和金属铟、锡、铋、锌、铅中任意一种或多种按照2～3:1混合，在55～65℃下搅拌形成液态金属合金；

步骤2、制备基体

将主剂PDMS和固化剂按照质量比为10:1混合，真空中静置30min形成PDMS溶液，然后旋涂在玻璃片上，然后在紫外光下固化10～12h；

步骤3、制备传感纤维

取直径为100-300μm，长度为10-20cm的碳纤维丝，在其表面喷涂步骤1制备的液态金属合金5～20s，喷涂厚度为20～30μm，悬挂晾干后，再喷涂PVA溶液5～20s，喷涂厚度为5～10μm，然后悬挂待PVA变为固态的柔性传感纤维丝，将柔性传感纤维丝正交编织形成柔性传感纤维；

步骤4、雕刻电路

在步骤2制备的PDMS基体表面铺上一层PVC、PET或者硬纸，采用激光雕刻在表面雕刻出惠斯通电路图案，雕刻速度为300～500mm/min，激光移动速度为500～700mm/min，雕刻强度为5，重复雕刻2～3次，雕刻的电路宽度为500～600μm；

步骤5、填充及封装电路

将步骤1制备的液态金属合金喷到雕刻有惠斯通电路的基体上，然后剥离表面的PVC、PET或者硬纸，在惠斯通电路的4个引脚放置铜丝，并覆盖上柔性传感纤维，在其表面滴加PDMS溶液至完全覆盖柔性传感纤维，然后在紫外光下固化。

本发明具有如下技术效果：

本发明制备的液态金属触碰压力传感器有效缓解了传感器中液态金属变形时产生的应力集中，提高了检测灵敏度，在100KPa压力下检测其阻值变化率达到3.94，且灵敏度呈明显的线性变化，在重复检测100次后，其阻值变化率依然保持在3.9，具有优异的稳定性和一致性，其检测极限较低至0.0008KPa。

附图说明

图1：本发明制备的柔性传感纤维丝的宏观和微观图。

图2：本发明制备的惠斯通电路图形和微米级液态金属惠斯通电路实物。

图3：不同的液态金属压力传感器在压力下的电压响应曲线。

图4：不同的液态金属传感器在不同压力下的电阻变化率响应变化曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤1、制备液态金属合金

采用金属Ga和In、Sn按照7:2:1混合，在60℃下搅拌30min形成液态金属合金；

步骤2、制备PDMS基体

将主剂PDMS和固化剂按照质量比为10:1混合，真空中静置30min形成PDMS溶液，然后旋涂在玻璃片上，然后在紫外光下固化12h；

步骤3、制备传感纤维

取直径为128μm，长度为15cm的碳纤维丝，在其表面喷涂步骤1制备的液态金属合金15s，喷涂厚度为23μm，悬挂晾干后，再喷涂PVA溶液15s，喷涂厚度为7μm，然后悬挂待PVA变为固态的柔性传感纤维丝，将柔性传感纤维丝按照经纬各8根/cm²正交编织形成柔性传感纤维，所述PVA溶液是将PVA加入去离子水中，在75℃下搅拌至粘稠状，PVA和去离子水的质量比为10:1；

步骤4、雕刻电路

在步骤2制备的PDMS基体表面铺上一层PET，采用激光雕刻在表面雕刻出电路路径宽度为500μm的惠斯通电路图案，雕刻速度为300mm/min，激光移动速度为500mm/min，雕刻强度为5，重复雕刻3次；

步骤5、填充及封装电路

将步骤1制备的液态金属合金喷到雕刻有惠斯通电路的基体上，然后剥离表面的PET，在惠斯通电路的4个引脚处放置铜丝，并覆盖上柔性传感纤维，将柔性纤维传感器的引线与铜丝并联，在柔性传感纤维表面滴加PDMS溶液至完全覆盖柔性传感纤维，然后在紫外光下固化。

本实施例制备的传感纤维丝如图1所示，可以明显看到柔性传感纤维形成了以碳纤维丝为核，以液态金属合金为可，PVA进行封装形成的三层结构。

将实施例1中单独的柔性传感纤维作为对照1的传感器，单独惠斯通电路结构的液态金属采用PDMS封装后作为对照组2的传感器，使用数显式拉力计对对照组1、对照组2和实施例1的传感器进行压力测试，压力测试范围为0-100KP，在恒定电压为2V下，从0缓慢增压至100KPa，并记录数据。

压力灵敏度测试：

缓慢增加推拉力计，并记录对应的其压力响应值，绘制出对应的压力-电压响应曲线，如图3所示。该过程中记录欧姆表的变化读述，绘制出对应的压力-电阻率变化曲线，并将数据代入公式计算灵敏度：

如图4所示，在不同压力下，电阻变化率(R-R₀)/R₀随压力的增大而增大，且两个单一的传感器复合后，电阻变化率的变化曲线呈规律的线性变化。将数据做回归分析求得灵敏度的回归线，其检测限为0.0008KPa，因此即使轻微触碰，也能产生明显的阻值变化。

稳定性检测：

随着使用次数的增加，压力传感器的稳定性是传感器寿命的重要体现，也是评价经济效益的重要指标，对照组1、对照2和实施例1的传感器在相同的100KPa下重复压力试验随试验次数的在增加，其电阻变化率(R-R₀)/R₀如表1所示。

表1：不同传感器在重复压力测试过程中电阻变化率随重复次数的变化

可见单一的柔性传感纤维和惠斯通电路结构的液态金属传感器在重复压力测试中，电阻变化率均较小，且随着重复次数增加，电阻变化率逐渐减小，而实施例1中将柔性传感纤维和液态金属惠斯通电路传感器复合后，其电阻变化率较大，且随重复次数的增加，电阻变化率基本保持稳定。

在弯曲试验过程中，将传感器进行不同角度的弯曲，使传感器物理结构发生一定的变化，并通过仪器反映，随着弯曲角度的增加，传感器的电阻变化率如表2所示。

表2：不同弯曲角度下各传感器的阻值变化率

	20°	40°	60°	80°	100°	120°	140°	160°	180°
										对照组1	0.024	0.039	0.063	0.104	0.166	0.151	0.126	0.103	0.092
对照组2	0.002	0.008	0.015	0.047	0.065	0.082	0.077	0.058	0.026
										实施例1	0.074	0.137	0.223	0.315	0.379	0.337	0.308	0.281	0.257

两种传感器复合以后，柔性传感纤维通过弯曲过程改变横截面积和内部液态金属的颗粒间距变化，从而对所受弯曲部位的压力进行调整分散，消除下层的惠斯通电路结构的液态金属的应力集中现象，从而发挥出更优异的灵敏度，随着角度的增加，阻值变化率呈现出显著的变化，而单一的一种传感器结构，在较小角度下其阻值变化率较小。

实施例2

一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤1、制备液态金属合金

采用金属Ga和金属In按照2:1混合，在55℃下搅拌30min形成液态金属合金；

步骤2、制备基体

将主剂PDMS和固化剂按照质量比为10:1混合，真空中静置30min形成PDMS溶液，然后旋涂在玻璃片上，然后在紫外光下固化12h；

步骤3、制备传感纤维

取直径为100-300μm，长度为10cm的碳纤维丝，在其表面喷涂步骤1制备的液态金属合金5s，喷涂厚度为20μm，悬挂晾干后，再喷涂PVA溶液20s，喷涂厚度为10μm，然后悬挂待PVA变为固态的柔性传感纤维丝，将柔性传感纤维丝按照经纬各10根/cm²正交编织形成柔性传感纤维，所述PVA溶液是将PVA加入去离子水中，在70℃下搅拌至粘稠状，PVA和去离子水的质量比为10:1；

步骤4、雕刻电路

在步骤2制备的PDMS基体表面铺上一层硬纸，采用激光雕刻在表面雕刻出电路路径宽度为600μm的惠斯通电路图案，雕刻速度为400mm/min，激光移动速度为600mm/min，雕刻强度为5，重复雕刻3次；

步骤5、填充及封装电路

将步骤1制备的液态金属合金喷到雕刻有惠斯通电路的基体上，然后剥离表面的硬纸，在惠斯通电路的4个引脚放置铜丝，并覆盖上柔性传感纤维，将柔性纤维传感器的引线与铜丝并联，在柔性传感纤维表面滴加PDMS溶液至完全覆盖柔性传感纤维，然后在紫外光下固化。

实施例3

一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤1、制备液态金属合金

采用金属Ga和金属In按照3:1混合，在65℃下搅拌30min形成液态金属合金；

步骤2、制备基体

将主剂PDMS和固化剂按照质量比为10:1混合，真空中静置30min形成PDMS溶液，然后旋涂在玻璃片上，然后在紫外光下固化10h；

步骤3、制备传感纤维

取直径为100-300μm，长度为20cm的碳纤维丝，在其表面喷涂步骤1制备的液态金属合金20s，喷涂厚度为30μm，悬挂晾干后，再喷涂PVA溶液5s，喷涂厚度为5μm，然后悬挂待PVA变为固态的柔性传感纤维丝，将柔性传感纤维丝按照经纬各5根/cm²正交编织形成柔性传感纤维，所述PVA溶液是将PVA加入去离子水中，在80℃下搅拌至粘稠状，PVA和去离子水的质量比为10:1；

步骤4、雕刻电路

在步骤2制备的PDMS基体表面铺上一层PVC，采用激光雕刻在表面雕刻出电路路径宽度为550μm的惠斯通电路图案，雕刻速度为500mm/min，激光移动速度为700mm/min，雕刻强度为5，重复雕刻2次；

步骤5、填充及封装电路

将步骤1制备的液态金属合金喷到雕刻有惠斯通电路的基体上，然后剥离表面的PVC，在惠斯通电路的4个引脚放置铜丝，并覆盖上柔性传感纤维，将柔性纤维传感器的引线与铜丝并联，在柔性传感纤维表面滴加PDMS溶液至完全覆盖柔性传感纤维，然后在紫外光下固化。

Claims (9)

1.一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于：以聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基体，通过激光雕刻惠斯通电路，并向电路中填充液态金属合金，再用柔性传感纤维覆在其表面，封装形成触碰压力传感器，所述柔性传感纤维是以碳纤维丝为内核，液态金属合金为外壳，并用聚乙烯醇（PVA）封装的柔性传感纤维丝正交编织形成。

2.如权利要求1所述的一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于：所述液态金属是采用金属镓和金属铟、锡、铋、锌、铅中的任意一种或多种混合，在55~65℃下搅拌形成。

3.如权利要求1或2所述的一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于：PDMS基体是将主剂PDMS和固化剂按照质量比为10:1混合，真空中静置30min形成PDMS溶液，然后旋涂在玻璃片上，然后在紫外光下固化10~12h。

4.如权利要求3述的一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于：所述激光雕刻电路是在PDMS基体表面铺上一层PVC（聚氯乙烯）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）或硬纸，通过激光在其表面雕刻惠斯通电路，雕刻速度为300~500mm/min，激光移动速度为500~700mm/min，雕刻强度为5，雕刻完成形成电路模板。

5.如权利要求1、2或4中所述的一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于：所述填充液态金属合金是将液态金属合金高压喷到电路模板上，对电路进行填充，填充完成后，剥离PDMS基体表面的PVC、PET或硬纸。

6.如权利要求3中所述的一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于：所述填充液态金属合金是将液态金属合金高压喷到电路模板上，对电路进行填充，填充完成后，剥离PDMS基体表面的PVC、PET或硬纸。

7.如权利要求5所述的一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于：将铜丝固定在填充了液态金属合金的惠斯通电路的4个引脚衔接位置，表面覆盖一层柔性传感纤维后，进一步滴加PDMS溶液至完全覆盖柔性传感纤维，在紫外灯下进行固化。

8.如权利要求7所述的一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于：所述柔性传感纤维中，碳纤维丝的直径为100~500μm，长度为10~20cm，在其表面喷涂液态金属合金5~20s，喷涂厚度为20~30μm，然后再喷涂液态PVA 5~20s，喷涂厚度为5~10μm。

9.一种液态金属触碰压力传感器的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤1、制备液态金属合金

采用金属镓和金属铟、锡、铋、锌、铅中任意一种或多种按照2~3:1混合，在55~65℃下搅拌形成液态金属；

步骤2、制备基体

将主剂PDMS和固化剂按照质量比为10:1混合，真空中静置30min形成PDMS溶液，然后旋涂在玻璃片上，然后在紫外光下固化10~12h；

步骤3、制备传感纤维

取直径为100-300μm，长度为10-20cm的碳纤维丝，在其表面喷涂步骤1制备的液态金属合金5~20s，喷涂厚度为20~30μm，悬挂晾干后，再喷涂液态PVA 5~20s，喷涂厚度为5~10μm，然后悬挂待PVA变为固态的柔性传感纤维丝，将柔性传感纤维丝正交编织形成柔性传感纤维；

步骤4、雕刻电路

在步骤2制备的PDMS基体表面铺上一层PVC、PET或者硬纸，采用激光雕刻在表面雕刻出惠斯通电路图案，雕刻速度为300~500mm/min，激光移动速度为500~700mm/min，雕刻强度为5，重复雕刻2~3次；

步骤5、填充及封装电路

将步骤1制备的液态金属合金喷到雕刻有惠斯通电路的基体上，然后剥离表面的PVC、PET或者硬纸，在惠斯通电路的4个引脚放置铜丝，并覆盖上柔性传感纤维，在其表面滴加PDMS溶液至完全覆盖柔性传感纤维，然后在紫外光下固化。