CN117213353A - 一种分组微柱结构布基柔性应变传感器及方法 - Google Patents
一种分组微柱结构布基柔性应变传感器及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117213353A CN117213353A CN202311089444.2A CN202311089444A CN117213353A CN 117213353 A CN117213353 A CN 117213353A CN 202311089444 A CN202311089444 A CN 202311089444A CN 117213353 A CN117213353 A CN 117213353A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- micro
- conductive
- microcolumn
- elastic material
- column
- 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.)
- Pending
Links
- 239000004744 fabric Substances 0.000 title claims abstract description 118
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 claims abstract description 47
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 35
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims abstract description 24
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims abstract description 24
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000007790 scraping Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 25
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 25
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 claims description 19
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 13
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 12
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 12
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 11
- 229920000417 polynaphthalene Polymers 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 6
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 6
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 6
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 6
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 5
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 claims description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 3
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 2
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 16
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 abstract description 10
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 11
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 239000011231 conductive filler Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229920005570 flexible polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 2
- 230000006355 external stress Effects 0.000 description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 241001264766 Callistemon Species 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 229920005839 ecoflex® Polymers 0.000 description 1
- 239000013536 elastomeric material Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 description 1
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种分组微柱结构布基柔性应变传感器及方法，第一步将液态弹性材料和导电弹性材料刮涂至导电织物表面，之后对其加热烘干；第二步用激光切割机对固化的液态弹性材料进行区域加工，切割掉微柱区域以外固化的弹性材料，得到支撑微柱阵列；第三步，用激光切割机对导电弹性材料进行区域加工后，再定深切割导电微柱顶部，得到调控微柱阵列；第四步将支撑微柱阵列的柱状头部浸入粘合剂，之后自上而下对准调控微柱阵列周围的导电弹性材料薄层压紧，进行粘合，等待粘合剂完全固化，得到基于分组微柱结构布基柔性应变传感器。该方法对于快速制备和集成灵敏度可调、应变范围可调、穿戴舒适的柔性应变传感器，具有非常重要的实用价值和创新意义。
Description
技术领域
本发明属于生物医电技术领域，具体涉及一种分组微柱结构布基柔性应变传感器及方法。
背景技术
近年来，随着元宇宙发展，人体姿态识别引起了人们的广泛关注。相比于视觉相机等传统的人体姿态识别方式，柔性应变传感器不仅准确度更高，而且易于与衣物集成，做到无感穿戴，在人机交互、健康监测和手势识别等领域极具应用潜力。然而，人体不同部位姿态变化对应的关节灵活度和弯曲角度不同，对柔性应变传感器的灵敏度和应变范围的灵活可调提出了更高的要求。
柔性聚合物基底的机械加工性能好，目前是实现柔性应变传感器的主流方案。为了将形变转换为电阻、电容等电学量，通常采用在柔性聚合物内部填充单壁碳纳米管等导电填料，或者在柔性聚合物表面打印导电银浆等金属聚合物导体等方法。然而，以柔性聚合物为基底的柔性应变传感器通常直接贴敷于皮肤表面使用，不满足人们的日常穿戴习惯，舒适性、适应性和可重复使用性欠佳。因此，开发以织物为基底，灵敏度和应变范围的灵活可调的柔性应变传感器加工方法具有重要意义。
经过对现有技术的检索发现，美国哈佛大学威斯研究所Conor J.Walsh等人在Advanced Materials Technologies,2017,2(9):1700136撰文“Batch Fabrication ofCustomizable Silicone-Textile Composite Capacitive Strain Sensors for HumanMotion Tracking”，将导电的针织布作为电极，硅树脂弹性体作为电介质，基于三明治式的夹心结构，开发出一种纺织硅胶电容式柔性应变传感器的设计和批量制造方法，所制备的柔性应变传感器表现出高线性度和低滞后性。然而，该电容式柔性应变传感器的应变检测范围较小，灵敏度不可调，要检测全身姿态变化，适应不同用户需求仍然存在一定难度。
加拿大多伦多大学Helen Tran,Xinyu Liu等人在Nature communications,2023,14(1):623撰文“Conductive and elastic bottlebrush elastomers for ultrasoftelectronics”，开发出一种以单壁碳纳米管(SWCNT)为导电填料的无溶剂、超软、导电的PDMS弹性体(BBE)复合材料。填料浓度为0.4～0.6wt％的导电SWCNT/BBE具有超低的杨氏模量(<11kPa)和大于2S/m的导电性，同时能够保持粘附性。此外，基于该导电和不导电BBE，通过激光切割和三维打印制作了柔性应变传感器，展示了其在可穿戴传感、软机器人和电生理记录方面的潜在应用。但这种直接贴敷于皮肤表面的使用方法不符合人的正常穿戴习惯，且对姿态活动有一定影响，无法集成在织物中，实现无感穿戴。
CN113237419A公开了一种高灵敏度柔性电容式应变传感器及其制备方法。该传感器包括第一拉胀结构层、上电极板、多孔介质层、下电极板和第二拉胀结构层共五层结构，柔性基底采用硅橡胶(Ecoflex)或水凝胶，通过拉伸拉胀结构层促使电容结构面积形变量增加，从而提高柔性电容式应变传感器的灵敏度。但该型电容式柔性应变传感器的应变检测范围有限且无法灵活调整，不适用于检测手腕、手肘弯曲等应变范围较大的场景。
CN113670187A公开了一种兼具高安全性与高探测量程的电容式弹性应变传感器及其制备方法。该传感器包括弹性纺织材料构成的基体、弹性粘合层、第一导电层、弹性介电层以及第二导电层，提高安全防护作用的同时有效拓宽了可探测应力的量程。但该型电容式应变传感器的量程不可自由调整，形变范围有限，当外界应力较大，传感器的实际形变超过形变上限，会使探测不准确，灵敏度降低；当外界应力较小，传感器的实际形变低于形变下限，传感器将无法探测该应力。
因此，快速制备和集成灵敏度可调、应变范围可调、穿戴舒适的柔性应变传感器，以捕捉人体关节弯曲度并还原人体姿态，具有非常重要的实用价值和创新意义。可有效解决目前柔性应变传感器快速批量制备难度大、灵敏度及应变上限难以自由可调和实用性不足的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种分组微柱结构布基柔性应变传感器及方法，第一步将液态弹性材料和导电弹性材料刮涂至导电织物表面，之后对其加热烘干，等待液态弹性材料和导电弹性材料固化，期间两种弹性材料半渗透入导电织物，有利于提高界面强度；第二步用激光切割机对固化的液态弹性材料进行区域加工，切割掉微柱区域以外固化的弹性材料，得到支撑微柱阵列；第三步，用激光切割机对导电弹性材料进行区域加工后，再定深切割导电微柱顶部，得到调控微柱阵列；第四步将支撑微柱阵列的柱状头部浸入粘合剂，之后自上而下对准调控微柱阵列周围的导电弹性材料薄层压紧，进行粘合，等待粘合剂完全固化，得到基于分组微柱结构布基柔性应变传感器。该方法对于快速制备和集成灵敏度可调、应变范围可调、穿戴舒适的柔性应变传感器，以捕捉人体关节弯曲度并还原人体姿态，具有非常重要的实用价值和创新意义。可有效解决目前同类型柔性应变传感器无法同时检测人体关节大应变及微小应变，以实现全身姿态识别的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种分组微柱结构布基柔性应变传感器，包括顶部导电层1、支撑微柱阵列2、调控微柱阵列3和底部导电层5；
所述顶部导电层1和底部导电层5均为导电织物；所述导电织物为布料与金属聚合物导体或金属微粒结合制成；
所述支撑微柱阵列2采用弹性材料作为基底，包括支撑微柱底座和多个支撑微柱；所述支撑微柱底座贴附在顶部导电层1上；所述支撑微柱为柱状，一端与支撑微柱底座为一体；
所述调控微柱阵列3采用导电弹性材料为基底，包括调控微柱底座和多个调控微柱；所述调控微柱底座贴附在底部导电层5上；所述调控微柱为柱状，一端与调控微柱底座为一体，另一端悬空；所述多个调控微柱高度不一，呈阶梯排列；
所述支撑微柱另一端与调控微柱底座接触，通过粘合剂粘为一体。
优选地，所述导电织物是通过电解电镀或金属镀膜或金属包覆方法使普通布料与金属聚合物导体或金属微粒结合制成。
优选地，所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚氨酯TPU、聚偏氟乙烯PVDF或聚萘酯PEN。
优选地，所述导电弹性材料为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚氨酯TPU、聚偏氟乙烯PVDF或聚萘酯PEN弹性材料，通过掺杂碳纳米管、炭黑、液态金属或导电聚合物实现导电性。
优选地，所述支撑微柱为圆柱体，高度为4～7毫米，直径为1毫米，支撑微柱之间间隔1～2毫米。
优选地，所述调控微柱为圆柱体，直径为2～3毫米，调控微柱之间间隔2～3毫米，调控微柱高度差为1～2毫米。
一种分组微柱结构布基柔性应变传感器加工方法，具体步骤如下：
步骤1：将针织棉布浸入液态金属和乙醇分散液，等待分散液完全浸透针织棉布，之后放入烘箱加热固化，得到导电织物；
步骤2：取两块导电织物分别作为顶部导电层1和底部导电层5；在顶部导电层1表面刮涂液态弹性材料，在底部导电层5表面刮涂液态导电弹性材料，使弹性材料和导电弹性材料渗入导电织物并完全固化；
步骤3：用激光定深切割顶部导电层1上固化的弹性材料得到支撑微柱阵列2；用激光定深切割底部导电层5上固化的导电弹性材料得到等高的过渡微柱阵列，再定深切割过渡微柱阵列顶部，得到高度阶梯排列的调控微柱阵列3；
步骤4：将支撑微柱阵列2半浸入粘合剂中，保证每个支撑微柱下半部分被粘合剂包裹；
步骤5：将被粘合剂包裹的支撑微柱阵列2对准调控微柱阵列3的间隙，使支撑微柱阵列2与调控微柱底座接触后向下粘接压紧；然后，整体放置于烘箱烘干加热，待粘合剂完全固化粘合，得到分组微柱结构布基柔性应变传感器。
优选地，所述导电织物是将钠和镓质量比为3:1的液态金属分散在乙醇中得到分散液，然后将针织棉布完全浸入分散液中，等待30分钟，等待分散液完全浸透针织棉布，后放入烘箱80摄氏度加热烘干2小时得到。
本发明的有益效果如下：
现有研究大多集中在柔性应变传感器的基础材料上，通过优化基础材料来提高柔性应变传感器性能，缺少通过结构和工艺设计调控柔性应变传感器灵敏度和应变检测范围的方法。传统的柔性应变传感器量程不可自由调整，形变范围有限。而且，直接贴敷于皮肤表面的使用方法不符合人的正常穿戴习惯，对姿态活动有一定影响，无法集成在织物中。为了解决这一问题，本发明提出一种分组微柱结构布基柔性应变传感器的激光加工方法，通过激光定深切割得到基于弹性材料的支撑微柱阵列和基于导电弹性材料的调控微柱阵列，分别调控应力检测上限和灵敏度，可有效解决目前柔性应变传感器检测量程和灵敏度不可自由调整的问题。同时，该分组微柱结构布基柔性应变传感器基于导电处理后的针织棉布，可与普通衣物布料一体化集成，更符合正常的穿戴习惯。
附图说明
图1为本发明分组微柱结构布基柔性应变传感器的结构示意图。
图2为本发明分组微柱结构布基柔性应变传感器的加工工艺流程图。
图3为本发明分组微柱结构布基柔性应变传感器的工作机理图。
图4为本发明实施例的分组微柱结构布基柔性应变传感器的调控微柱阵列结构变体图。
图5为本发明实施例的分组微柱结构布基柔性应变传感器的支撑微柱阵列结构变体图。
图中标记：顶部导电层1、支撑微柱阵列2、调控微柱阵列3、粘合剂4、底部导电层5。
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。
本发明提供一种分组微柱结构布基柔性应变传感器及激光加工方法，能够灵活调整灵敏度和应变上限，同时能够实现较高的界面可靠性，且可快速、批量制备和集成。
所述加工方法涉及顶部导电层、底部导电层、支撑微柱阵列和调控微柱阵列四部分，顶部导电层和底部导电层是导电织物，即通过电解电镀、金属镀膜、金属包覆等方法使普通布料与金属聚合物导体或金属微粒结合制成。
所述支撑微柱阵列采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(TPU)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚萘酯(PEN)等弹性材料作为基底。由激光切除基底上微柱以外区域形成，微柱的直径、高度和间距由基地厚度和激光切割参数决定。
所述调控微柱阵列采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(TPU)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚萘酯(PEN)等弹性材料，再掺杂碳纳米管、炭黑、液态金属或导电聚合物等导电填料作为基底。由激光切除基底上微柱以外区域形成，微柱的直径、高度和间距由基地厚度和激光切割参数决定，微柱的导电性能有掺杂的导电填料类型和浓度决定。
所述支撑微柱阵列提供结构强度，支撑微柱直径越宽、阵列越密，则结构强度越大，检测的应力上限越大。调控微柱阵列提供导电性能，调控微柱导电性能越接近于半导体，阵列高度范围越大、梯度越多，则检测的灵敏度越高。
所述布基柔性应变传感器整体尺寸根据贴附部位的尺寸和形状结构决定，可先制备大面积布基柔性应变传感器，再由激光切割机定制化切割所需图样。
所述分组微柱结构布基柔性应变传感器的激光加工方法步骤如下：
第一步：将针织棉布浸入液态金属和乙醇分散液，等待分散液完全浸透针织棉布，之后放入烘箱加热固化，得到导电织物。
第二步：在导电织物(顶部导电层)表面刮涂液态弹性材料，在导电织物(底部导电层)表面刮涂导电液态弹性材料，等待弹性材料和导电弹性材料渗入导电织物并完全固化。
第三步：用激光定深切割导电织物(顶部导电层)上固化的弹性材料得到支撑微柱阵列。然后，用激光定深切割导电织物(底部导电层)上固化的导电弹性材料得到过渡微柱阵列，再定深切割过渡微柱阵列顶部，得到调控微柱阵列，调控微柱阵列的梯度范围可调整激光切割功率进行控制。
第四步：将支撑微柱阵列半浸入粘合剂中，保证每个支撑微柱下半部分包裹足够的粘合剂。
第五步：将包裹粘合剂的支撑微柱阵列对准调控微柱阵列的间隙，向下粘接压紧。然后，将器件整体放置于烘箱烘干加热，待粘合剂完全固化粘合，得到分组微柱结构布基柔性应变传感器。
实施例：
在一具体实施例中，参照图1所示，分组微柱结构布基柔性应变传感器分为顶部导电层1与支撑微柱阵列2、底部导电层5与调控微柱阵列3两个结构模块组成。其中，顶部导电层1和底部导电层5均为导电织物，首先将钠和镓质量比为3:1的液态金属分散在乙醇中得到分散液，然后将针织棉布完全浸入分散液中，等待30分钟，等待分散液完全浸透针织棉布。之后将浸透的针织棉布放入烘箱内，80摄氏度加热固化2小时，得到导电织物。
参照图2所示，分组微柱结构布基柔性应变传感器的加工工艺流程，主要分为以下四步：
第一步，在导电织物(顶部导电层)1上刮涂液态PDMS，刮涂厚度约5～8毫米，然后将其放置于烘箱内60摄氏度加热5小时，等待PDMS完全固化，过程中液态PDMS渗透进导电织物(顶部导电层)1中，提高了整体的结构强度。同时，在液态PDMS掺杂银粉固体含量为65％的导电油墨，搅拌30分钟使其充分融合得到液态导电PDMS。然后将导电PDMS刮涂至导电织物(底部导电层)5表面，厚度约5～8毫米，并将其放置于烘箱内60摄氏度加热5小时，等待导电PDMS完全固化。同样的，过程中液态导电PDMS渗透进导电织物(底部导电层)5中，提高了整体的结构强度。
第二步，首先用激光定深切割导电织物(顶部导电层)1上固化的PDMS，得到支撑微柱阵列2，切割深度约4～7毫米。支撑微柱直径约1毫米，阵列间隔约1～2毫米。然后，用激光定深切割导电织物(底部导电层)5上固化的导电PDMS，切割深度约4～7毫米，得到过渡微柱阵列，微柱直径约2～3毫米，阵列间隔2～3毫米。最后，用激光定深切割过渡微柱阵列顶部，得到调控微柱阵列3。调控微柱阵列3最大高度小于8毫米，梯度范围约1～2毫米。
第三步，手提导电织物(底部导电层)5，将支撑微柱阵列2半浸入粘合剂4中，使粘合剂4完全包裹每个支撑微柱下半部分，保证每个支撑微柱顶端有足够的粘合剂4覆盖。
第四步，通过体视显微镜观察，将导电织物(顶部导电层)1夹持固定在包括XYZ轴移动、倾斜和转动在内的微动平台上，将包裹粘合剂4的支撑微柱阵列2对准调控微柱阵列3的间隙，向下粘接压紧。然后，将器件整体放置于烘箱之中60摄氏度加热1小时，待粘合剂4完全固化粘合，最后得到分组微柱结构布基柔性应变传感器。
参照图3所示，为分组微柱结构布基柔性应变传感器的工作机理，图(a)为无应变状态下的分组微柱结构布基柔性应变传感器结构示意图，其中，调控微柱阵列顶部未接触导电织物(顶部导电层)1，导电织物(顶部导电层)1与导电织物(底部导电层)5之间无导电通路，电阻无穷大。图(b)为小应变状态下的分组微柱结构布基柔性应变传感器结构示意图，其中，只有左侧的调控微柱接触了导电织物(顶部导电层)1，导电织物(顶部导电层)1与导电织物(底部导电层)5之间形成了导电通路，产生了较大电阻。随着应变的增大，越来越多调控微柱接触了导电织物(顶部导电层)1，导电通路面积呈梯度增大，导电织物(顶部导电层)1与导电织物(底部导电层)5之间的等效电阻成梯度减小，实现应力增大、电阻减小的负电阻效应柔性应变传感器。
在另一具体实施例中，对调控微柱阵列梯度进行优化设计，如图4所示。为了提高分组微柱结构布基柔性应变传感器对应变检测的灵敏度，可在激光定深切割导电织物(底部导电层)5上已固化的导电PDMS时，重新设计调控微柱阵列3直径、位置分布和梯度分布。在总体高度范围一致的情况下，梯度区间范围越小，梯度区间数量越多，调控微柱数量越多，则其检测应变的灵敏度越大，施加于分组微柱结构布基柔性应变传感器上的微小应变也将在导电织物(顶部导电层)1与导电织物(底部导电层)5之间产生电阻变化。
在另一具体实施例中，对支撑微柱阵列分布进行优化设计，如图5所示。为了提高分组微柱结构布基柔性应变传感器的应变检测上限和整体结构强度，可在激光定深切割导电织物(定部导电层)1上已固化的PDMS时，重新设计支撑微柱阵列2位置分布，增加分布密度，使支撑微柱环绕调控微柱排布。支撑微柱数量越多，分布越密集则分组微柱结构布基柔性应变传感器的应变检测上限越高，整体结构强度越大。
Claims (8)
1.一种分组微柱结构布基柔性应变传感器，其特征在于，包括顶部导电层、支撑微柱阵列、调控微柱阵列和底部导电层；
所述顶部导电层和底部导电层均为导电织物；所述导电织物为布料与金属聚合物导体或金属微粒结合制成；
所述支撑微柱阵列采用弹性材料作为基底，包括支撑微柱底座和多个支撑微柱；所述支撑微柱底座贴附在顶部导电层上；所述支撑微柱为柱状，一端与支撑微柱底座为一体；
所述调控微柱阵列采用导电弹性材料为基底，包括调控微柱底座和多个调控微柱；所述调控微柱底座贴附在底部导电层上；所述调控微柱为柱状，一端与调控微柱底座为一体，另一端悬空；所述多个调控微柱高度不一，呈阶梯排列；
所述支撑微柱另一端与调控微柱底座接触，通过粘合剂粘为一体。
2.根据权利要求1所述的一种分组微柱结构布基柔性应变传感器，其特征在于，所述导电织物是通过电解电镀或金属镀膜或金属包覆方法使普通布料与金属聚合物导体或金属微粒结合制成。
3.根据权利要求1所述的一种分组微柱结构布基柔性应变传感器，其特征在于，所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚氨酯TPU、聚偏氟乙烯PVDF或聚萘酯PEN。
4.根据权利要求1所述的一种分组微柱结构布基柔性应变传感器，其特征在于，所述导电弹性材料为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚氨酯TPU、聚偏氟乙烯PVDF或聚萘酯PEN弹性材料，通过掺杂碳纳米管、炭黑、液态金属或导电聚合物实现导电性。
5.根据权利要求1所述的一种分组微柱结构布基柔性应变传感器，其特征在于，所述支撑微柱为圆柱体，高度为4～7毫米，直径为1毫米，支撑微柱之间间隔1～2毫米。
6.根据权利要求1所述的一种分组微柱结构布基柔性应变传感器，其特征在于，所述调控微柱为圆柱体，直径为2～3毫米，调控微柱之间间隔2～3毫米，调控微柱高度差为1～2毫米。
7.一种如权利要求1所述的分组微柱结构布基柔性应变传感器的加工方法，具体步骤如下：
步骤1：将针织棉布浸入液态金属和乙醇分散液，等待分散液完全浸透针织棉布，之后放入烘箱加热固化，得到导电织物；
步骤2：取两块导电织物分别作为顶部导电层和底部导电层；在顶部导电层表面刮涂液态弹性材料，在底部导电层表面刮涂液态导电弹性材料，使弹性材料和导电弹性材料渗入导电织物并完全固化；
步骤3：用激光定深切割顶部导电层上固化的弹性材料得到支撑微柱阵列；用激光定深切割底部导电层上固化的导电弹性材料得到等高的过渡微柱阵列，再定深切割过渡微柱阵列顶部，得到高度阶梯排列的调控微柱阵列3；
步骤4：将支撑微柱阵列半浸入粘合剂中，保证每个支撑微柱下半部分被粘合剂包裹；
步骤5：将被粘合剂包裹的支撑微柱阵列对准调控微柱阵列的间隙，使支撑微柱阵列与调控微柱底座接触后向下粘接压紧；然后，整体放置于烘箱烘干加热，待粘合剂完全固化粘合，得到分组微柱结构布基柔性应变传感器。
8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于，所述导电织物是将钠和镓质量比为3:1的液态金属分散在乙醇中得到分散液，然后将针织棉布完全浸入分散液中，等待30分钟，等待分散液完全浸透针织棉布，后放入烘箱80摄氏度加热烘干2小时得到。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311089444.2A CN117213353A (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种分组微柱结构布基柔性应变传感器及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311089444.2A CN117213353A (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种分组微柱结构布基柔性应变传感器及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117213353A true CN117213353A (zh) | 2023-12-12 |
Family
ID=89043413
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311089444.2A Pending CN117213353A (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种分组微柱结构布基柔性应变传感器及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117213353A (zh) |
-
2023
- 2023-08-28 CN CN202311089444.2A patent/CN117213353A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lou et al. | Recent progress of self‐powered sensing systems for wearable electronics | |
| JP5984645B2 (ja) | 感圧センサー、及び感圧センサー装置 | |
| CN109100075B (zh) | 一种用于电子皮肤的柔性压力传感器及制备方法 | |
| CN110082010A (zh) | 柔性触觉传感器阵列及应用于其的阵列扫描系统 | |
| CN110375895B (zh) | 多功能全柔性指纹状触觉传感器 | |
| CN110174195A (zh) | 一种仿生柔性压力传感器 | |
| CN107101752B (zh) | 一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器及其制备方法 | |
| JP5740038B2 (ja) | 生体電極、及び生体信号測定装置 | |
| CN113340481B (zh) | 一种压力传感器及其制备方法 | |
| CN109115107A (zh) | 一种高灵敏度柔性应变传感器的制备方法 | |
| CN110207866A (zh) | 一种基于改性纸基的高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法 | |
| CN110411623B (zh) | 高灵敏柔性压阻传感器、及其制备方法和应用 | |
| CN114993527B (zh) | 基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器及制备 | |
| CN210783050U (zh) | 一种智能手套 | |
| Mikkonen et al. | Inkjet-printed, nanofiber-based soft capacitive pressure sensors for tactile sensing | |
| Liu et al. | Superstretchable and Linear-Response Strain Sensors With Carbon Nanotubes Ultrasonically Assembled on Silicone Rubber Film | |
| Lin et al. | A flexible pressure sensor based on bimaterial conductivity-conversion mechanism | |
| CN117213353A (zh) | 一种分组微柱结构布基柔性应变传感器及方法 | |
| He et al. | Interfacial modification strategy for the fabrication of high performance fiber-based strain sensors | |
| CN105509937A (zh) | 一种压感传感器、压力检测方法及制造工艺 | |
| CN113303767A (zh) | 二维全域范围内大形变感知织物传感器及制备方法 | |
| JP6010203B2 (ja) | 導電体、生体電極、及び生体信号測定装置 | |
| JP6039724B2 (ja) | 生体電極、及び生体信号測定装置 | |
| CN106323512A (zh) | 使用热敏感疏水弹性高分子材料封装多样化压电传感器的方法 | |
| CN216925864U (zh) | 一种鞋垫柔性传感器 |
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 |