CN117387482A - 柔性应变传感器的制备方法及柔性应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种柔性应变传感器的制备方法及柔性应变传感器，用于解决现有的柔性应变传感器的传感层制备工艺复杂、成本高的问题。该制备方法包括：在预先洁净的柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料，烘干形成导电电极层；在导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨，烘干固化形成传感膜层；通过重复弯折柔性聚合物基体，使导电电极层上的传感膜层形成网状微裂纹结构，获得基于微裂纹的柔性应变传感器。该制备方法工艺流程简单，原材料和工艺成本都很低，有利于大规模低成本生产。通过该制备方法制备的柔性应变传感器制作成本低，灵敏度更高，可以检测到更微小的形变，且能够实现柔性聚合物基体的双向弯曲检测。

Description

柔性应变传感器的制备方法及柔性应变传感器

技术领域

本发明涉及应变传感器技术领域，尤其涉及一种柔性应变传感器的制备方法及柔性应变传感器。

背景技术

基于导电复合材料的柔性应变传感器是通过将金属填料、炭黑、碳纳米管、石墨烯、银纳米线等导电材料掺杂到柔性聚合物基体中，形成密集的导电通道网络结构。当柔性聚合物基体发生形变时，导电通道网络结构的连通性发生改变，从而引起传感器电阻值的变化。这类传感器可基于电阻值的变化所致的电压或电流信号变化，来确定柔性聚合物基体的形变量。柔性应变传感器在运动识别、人体健康监测和语音识别等领域具有很好的应用前景。

但是，这类基于导电材料掺杂形成的传感器，在检测微小形变时，所获得的微弱电信号大都呈现较低的灵敏度、非线性输出和较高的回滞，难以进行微小形变的有效检测。

为实现对微小形变的有效检测，一种可行方法是通过微电子制作工艺，在柔性聚合物基体上制备具有微裂纹结构的贵金属薄膜传感膜层。具有微裂纹结构的贵金属薄膜传感膜层的电阻值会随外加应变显著变化，可大幅提高其输出信号的灵敏度。当柔性聚合物基体发生形变时，贵金属薄膜传感膜层会发生变形，导致传感膜层的电阻值发生变化。通过检测薄膜电阻值的变化，可以确定柔性聚合物基体所受的应变。

然而，发明人在实现本发明实施例中的技术方案的过程中发现，现有的柔性应变传感器的制备方法至少存在如下技术问题：

具有微裂纹结构的贵金属薄膜传感膜层制备工艺复杂、成本较高，难以实现大规模商业应用。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种柔性应变传感器的制备方法及柔性应变传感器，用于解决现有的柔性应变传感器的传感膜层制备工艺复杂、成本高的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例中采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例中提供一种柔性应变传感器的制备方法，所述制备方法包括：

在预先洁净的柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料，烘干形成导电电极层；

在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨，烘干固化形成传感膜层；

通过重复弯折所述柔性聚合物基体，使所述导电电极层上的所述传感膜层形成网状微裂纹结构，获得具有网状微裂纹结构的所述柔性应变传感器；其中，所形成的网状微裂纹结构的裂纹深度小于所述传感膜层的厚度。

可选地，在预先洁净的所述柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料的步骤具体为：

通过喷涂、滚涂、刮涂或丝网印刷的方法在预先洁净的所述柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料。

可选地，在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨的步骤具体为：通过喷涂、滚涂、刮涂或丝网印刷的方法在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨。

可选地，在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨的步骤之前，所述制备方法还包括：

将所述导电填料加入丝印油墨中，经混合分散后得到导电复合油墨；其中，所述导电填料与所述丝印油墨的质量比为1：2～20。

可选地，所述导电填料为导电石墨、导电炭黑、导电聚合物、石墨片、金属纳米颗粒、Mxenes材料中的至少一种；所述导电填料的长径比小于1：20。

可选地，所述丝印油墨为PET油墨、PVC油墨、TPU油墨、EPOXY油墨中的一种。

可选地，所述传感膜层的厚度为10～500μm。

可选地，对所述柔性聚合物基体重复弯折的次数为100-10000次。

可选地，所述柔性聚合物基体的材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)、环氧树脂(EPOXY)中的一种。

第二方面，本发明实施例中提供一种柔性应变传感器，所述柔性应变传感器通过前述柔性应变传感器的制备方法制备得到；所述柔性应变传感器包括：

柔性聚合物基体；

导电电极层；所述导电电极层设置在所述柔性聚合物基体上；

传感膜层；所述传感膜层设置在所述导电电极层上；所述传感膜层具有网状微裂纹结构，所述网状微裂纹结构的裂纹深度小于所述传感膜层的厚度。

可选地，所述传感膜层的厚度为10～500μm。

基于上述技术方案，本发明实施例中的柔性应变传感器的制备方法，通过简单、成熟、通用、成本低的涂覆工艺在预先洁净的柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料，烘干后形成厚膜结构的导电电极层，为后续涂覆的传感膜层提供导电基层；通过简单、成熟、通用、成本低的涂覆工艺在所述导电电极层上涂覆低材料成本的导电复合油墨，烘干固化后形成厚膜结构的传感膜层；通过简单的机械弯曲方法重复弯折所述柔性聚合物基体，使结构强度较低的所述传感膜层形成裂纹深度小于所述传感膜层厚度的网状微裂纹结构。

与采用微电子制作工艺制备的具有微裂纹结构的金属薄膜传感膜层相比，本发明实施例中的采用导电复合油墨制备的具有微裂纹结构的所述传感膜层为厚膜结构，网状微裂纹结构的裂纹数量多，密度大、深度大，当发生形变时，能够切断或连接的导电通路数量多，导电通路的改变更明显，所述传感膜层的电阻值的变化也更加显著，可以检测到更微小的形变。相应地，柔性应变传感器具有更好的形变敏感性，较高的灵敏度。

另外，本发明实施例中的采用导电复合油墨制备的厚膜结构的传感膜层，其网状微裂纹结构在受到压应力时，会产生压缩变形，使所述传感膜层的导电性增强，电阻值变小；在受到张应力时，会产生扩张变形，使所述传感膜层的导电性减弱，电阻值变大。进而，可通过检测所述传感膜层的电阻值的变化方向，辨别所述柔性聚合物基体产生的形变是属于压缩变形还是拉伸变形，实现所述柔性聚合物基体的双向弯曲检测。

因此，与采用微电子制作工艺制备的具有微裂纹结构的金属薄膜柔性应变传感器相比，本发明实施例中制备方法，材料成本低，工艺流程简单、通用、成熟，工艺成本低，有利于柔性应变传感器的大规模低成本生产。同时制备得到的柔性应变传感器不仅具有更好的形变敏感性，较高的灵敏度，还能实现双向弯曲的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例中的柔性应变传感器的制备方法的示意性流程图。

图2示出了本发明实施例中的通过柔性应变传感器的制备方法制备得到的传感膜层在显微镜下的表面形貌图；

图3示出了本发明实施例中的传感膜层受力形变的示意图；

图4示出了本发明实施例中的柔性应变传感器的示意性结构图。

其中，图中的附图标记与部件名称之间的对应关系如下：

柔性聚合物基体100，导电电极层200，传感膜层300，网状微裂纹结构310。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实际应用，参照本发明实施例附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中的柔性应变传感器的制备方法制备得到的柔性应变传感器，是一种能够感知和测量物体形变和应变的传感器。示例性地，其被广泛应用于医疗保健、机器人技术、智能穿戴设备、汽车工业、建筑结构监测等领域。具体如下：

在医疗保健领域，柔性应变传感器可以集成在医用绷带中，实时监测患者的生命体征，如呼吸频率、心率等。也可以植入人体组织中，监测器官的运动状态。

在机器人技术领域，柔性应变传感器可以应用在仿生机器人的人造皮肤上，检测外界接触力度和方向，实现对环境的感知能力。也可以用于检测机器人关节的弯曲程度。

在智能穿戴领域，柔性应变传感器可织入智能服饰中，检测人体运动姿态，判断动作类别和识别语音指令。也可以应用于智能鞋类，分析佩戴者的步态。

在汽车工业领域，柔性应变传感器用于方向盘和座椅，检测司机姿态变化，实现主动安全系统。也可以应用在车体表面，检测碰撞力度。

在建筑监测领域，柔性应变传感器可集成在建筑物表面，实时监测建筑物的结构变形，判断建筑健康状态。

当然，本发明实施例中的柔性应变传感器的应用领域包括但不限于上述列举的领域。

现有的柔性应变传感器的传感膜层存在制备工艺复杂、成本较高，难以实现大规模商业应用的技术问题。

发明人在实现本发明实施例中的技术方案的过程中发现，之所以柔性应变传感器的传感膜层制备工艺复杂，并非由于柔性应变传感器的传感膜层一定要采用微电子制作工艺制作，真实原因是，柔性应变传感器属于半导体技术领域，该领域的技术人员都是采用沉积工艺和微纳加工技术相结合的方法来制作传感器的传感膜层。

发明人在研究中发现，现有的柔性应变传感器的导电结构为单层薄膜结构，该单层薄膜结构既作为传感层使用，也作为导电层使用，因此在设计上需要满足作为导电层使用的力学性能和电学性能要求。如果将导电结构设计成包括导电层，设置在导电层上的传感层的两层膜结构，且导电层和传感层均为厚膜结构，那么传感层在设计上就可以不用考虑导电层的力学性能和电学性能要求。

发明人在研究中还发现，丝印油墨是制作厚膜层的优质材料，如果将导电填料按照一定配比分散到丝印油墨中制成导电复合油墨，那么就可用简单的涂覆工艺在导电层形成传感膜层。该方法材料成本低，制作工艺简单且成熟。发明人在研究中还发现，通过导电复合油墨制备的传感膜层结构强度低，仅需利用简单的机械弯曲方式就可以在传感膜层上形成微裂纹结构。

发明人基于上述认识，提供一种柔性应变传感器的制备方法及柔性应变传感器。

本发明新型实施例，将柔性应变传感器的导电功能结构分解为具有良好导电性能和结构稳定性的导电电极层，具有网状微裂纹结构的传感膜层。导电电极层和传感膜层均为厚膜结构。导电电极层在结构上作为传感膜层的设置基底层，在功能上为传感膜层提供导电基层，其与传感膜层形成串联导电通路，能够将传感膜层形成的电信号及时、有效地通过连接引线输出。基于柔性应变传感器的前述技术构思，柔性应变传感器的制备方法在工艺步骤上采用如下技术构思。

采用导电电子浆料，通过简单、成熟、通用、成本低的涂覆工艺在预先洁净的柔性聚合物基体上形成厚膜，该厚膜烘干形成导电电极层。厚膜结构的导电电极层具有良好导电性和机械强度，可以为后续涂覆的传感膜层提供导电基层。

采用含有导电填料的导电复合油墨，通过简单、成熟、通用、成本低的涂覆工艺在导电电极层上形成厚膜，该厚膜烘干固化形成传感膜层。由导电复合油墨制成的厚膜结构的传感膜层，结构强度较低，可以在后续通过简单的机械弯曲方法在传感膜层形成微裂纹密集的网状微裂纹结构。

采用简单的机械弯曲方法，通过重复弯折柔性聚合物基体，使导电电极层上的传感膜层形成网状微裂纹结构；所形成的网状微裂纹结构的裂纹深度小于传感膜层的厚度，可以确保传感膜层的结构稳定性和功能稳定性。

厚膜结构的导电复合油墨传感膜层，相较于薄膜结构的贵金属传感膜层，形成的网状微裂纹结构的裂纹数量多，密度大、深度大，能够切断或连接的导电通路数量多，导电通路的改变更明显，传感膜层的电阻值的变化也更加显著，可以检测到更微小的形变。相应地，柔性应变传感器具有更好的形变敏感性，较高的灵敏度。

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行说明。

图1示出了本发明实施例中的柔性应变传感器的制备方法的示意性流程图。

本发明实施例中提供一种柔性应变传感器的制备方法，示例性的，现参照图1所示，所述制备方法包括以下步骤。

S110，在预先洁净的柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料，烘干形成导电电极层；

其中：

所述导电电子浆料是用于印制导电电路或组件的浆料。所述导电电子浆料包括导电填料、聚合物粘结剂、助剂、溶剂。其中，导电填料用于提供浆料的导电性能，主要包括金属粉末、碳基材料、导电高分子等。所述导电电子浆料具体可以是导电银浆、导电碳浆、导电铜浆、导电聚合物浆料。其中，导电银浆，具有优良的导电性能，是电子器件领域常用的导电电子浆料。

所述柔性聚合物基体是制造柔性应变传感器的基体，其采用柔性聚合物片材按照预定规格切割而成。所述柔性聚合物基体的材料具体可以是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)、环氧树脂(EPOXY)中的一种。

所述柔性聚合物基体在涂覆导电电子浆料前需要进行预洁净处理。示例性的，预洁净处理所述柔性聚合物基体的过程具体可以是：首先使用去离子水、乙醇等溶剂对所述柔性聚合物基体进行清洗，以去除表面粘附的灰尘等污染物；再将其放在超声波清洗设备中进行超声波清洗一定时间，以进一步提高清洁效果；然后使用烘干设备对清洗过的所述柔性聚合物基体行干燥，得到洁净的所述柔性聚合物基体。

在本发明实施例中，示例性的，在预先洁净的所述柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料的步骤具体可以是：通过喷涂、滚涂、刮涂或丝网印刷的方法在预先洁净的所述柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料。

具体地，将所述导电电子浆料加入喷涂设备、滚涂设备、刮涂设备或丝网印刷设备的供料箱内，然后启动设备，控制涂覆速度、厚度等参数，在预先洁净的所述柔性聚合物基体上涂覆所述导电电子浆料，获得厚度均匀的导电电子浆料涂层。将完成导电电子浆料涂覆的所述柔性聚合物基体放入烘干设备中进行烘干，让所述导电电子浆料中的聚合物粘结剂、助剂、溶剂挥发，得到所述导电电极层。应理解，为了得到预定厚度的所述导电电极层，涂覆导电电子浆料和烘干形成所述导电电极层的过程可以是分别进行一次，也可以是对涂覆的导电电子浆料进行烘干后，再进行涂覆，重复喷涂和烘干过程，直至得到预定厚度且厚度均匀的所述导电电极层。

通过该步骤可以在所述柔性聚合物基体上形成具有良好导电性和机械强度的所述导电电极层。所述导电电极层，用于为后续涂覆的传感膜层提供导电基层，并在应变传感器工作时与传感膜层形成串联导电通路。

S120，在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨，烘干固化形成传感膜层；

其中，所述含有导电填料的导电复合油墨，为将导电填料均匀分散在聚合物粘结剂中配制而成的油墨状物质。其中，所述导电填料为导电石墨、导电炭黑、导电聚合物、石墨片、金属纳米颗粒、Mxenes材料中的至少一种；所述导电填料的长径比小于1：20。采用长径比合适的所述导电填料制备导电复合油墨，再使用导电复合油墨制备传感膜层，既增强所述传感膜层的导电性又不阻碍微裂纹的形成。应理解，为了获得高品质的导电复合油墨，所述聚合物粘结剂可以采用商用的丝印油墨，具体的，所述丝印油墨为PET油墨、PVC油墨、TPU油墨、EPOXY油墨中的一种。

在本发明实施例中，示例性的，在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨的步骤具体为：通过喷涂、滚涂、刮涂或丝网印刷的方法在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨。

具体地，将所述导电复合油墨加入喷涂设备、滚涂设备、刮涂设备或丝网印刷设备的供料箱内，然后启动设备，控制涂覆速度、厚度等参数，在所述导电电极层表面涂覆导电复合油墨，获得厚度均匀的导电复合油墨涂层。将完成导电复合油墨涂覆的所述柔性聚合物基体放入烘干设备中进行烘干，让导电复合油墨中聚合物粘结剂挥发，经烘干固化后得到所述传感膜层。应理解，为了得到预定厚度的所述传感膜层，涂覆导电复合油墨和烘干形成所述传感膜层的过程可以是分别进行一次，也可以是对涂覆的导电复合油墨进行烘干后，再进行涂覆，重复喷涂和烘干过程，直至得到预定厚度的所述传感膜层。测试固化形成的所述传感膜层的电阻率，确保其良好和稳定的导电性能。

通常所述传感膜层的厚度为10～500μm。厚度为10～500μm的所述传感膜层具有足够的结构强度，使所述传感膜层在实际应用中不易断裂和损坏。相较于厚度小于10μm的传感膜层，其具有良好的稳定性和可靠性；相较于厚度大于100μm的传感膜层，其具有较高的灵敏度和响应速度。

示例性地，如果采用丝网印刷的方法进行导电复合油墨涂覆。首先用丝网印刷机上的刮刀将导电复合油墨涂抹在丝网上，然后对准所述导电电极层，用橡皮辊将油墨从丝网转移印刷到所述导电电极层表面。通过控制印刷速度、印压等参数，可以获得均匀的导电复合油墨层。

通过该步骤可以在所述导电电极层上获得具有预定厚度、均匀及稳定导电性的所述传感膜层。所述传感膜层结构强度较低，可以在后续通过简单的机械弯曲方法在所述传感膜层形成微裂纹密集的网状微裂纹结构。

至少基于含有导电填料的导电复合油墨与涂覆工艺相适配考虑，在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨的步骤S120之前，所述制备方法还包括：

将所述导电填料加入丝印油墨中，经混合分散后得到导电复合油墨；其中，所述导电填料与所述丝印油墨的质量比为1：2～20。

其中，所述丝印油墨为用于丝网印刷的油墨，其具体可以是PET油墨、PVC油墨、TPU油墨、EPOXY油墨中的一种。

示例性的，具体实现过程为：选择合适的丝印油墨作为基料；根据所述传感膜层所需导电性能，确定所述导电填料的种类和所述导电填料与所述丝印油墨的质量配比，经多次应用表明所述导电填料与所述丝印油墨的质量比为1：2～20，可以获得满足所述传感膜层制备需要的导电复合油墨。将预定质量比的所述导电填料和所述丝印油墨放入到诸如混炼机的搅拌分散设备中，设置好搅拌速度和搅拌时间，进行导电复合油墨制备。制备完成后，从搅拌分散设备取出混合均匀的导电复合油墨，放置到容器中备用。制备好的导电复合油墨中可加入稀释剂，调节导电复合油墨黏度，以满足多种涂覆方法的实际需要。

S130，通过重复弯折所述柔性聚合物基体，使所述导电电极层上的所述传感膜层形成网状微裂纹结构，获得具有网状微裂纹结构的所述柔性应变传感器；其中，所形成的网状微裂纹结构的裂纹深度小于所述传感膜层的厚度。

在本发明实施例中，示例性的，通过重复弯折所述柔性聚合物基体，使所述导电电极层上的所述传感膜层形成网状微裂纹结构具体为：

将完成所述传感膜层制备的所述柔性聚合物基体使用机械弯曲装置，例如万能材料实验机，以一定频率和振幅对含有所述传感膜层的所述柔性聚合物基体进行重复弯折，重复弯折使所述传感膜层产生应力开裂，形成微米级的网状微裂纹结构。重复弯折所述柔性聚合物基体的过程中，可通过选择合适的重复弯折次数、弯折速度、弯折幅度等参数，控制所述传感膜层中的形成微裂纹的大小、深度、密度等几何形态，以及确保网状微裂纹结构的裂纹深度小于所述传感膜层的厚度。所形成的网状微裂纹结构的裂纹深度小于所述传感膜层的厚度，可以确保所述传感膜层在所述导电电极层上的结构稳定性，该结构稳定性可避免所述传感膜层从所述导电电极层上脱落，还能确保所述传感膜层的功能稳定性。对所述柔性聚合物基体重复弯折的次数通常为100-10000次。

对所述柔性聚合物基体完成重复弯折处理后，采用显微技术对所述柔性聚合物基体的所述传感膜层进行观测。

图2示出了本发明实施例中的通过柔性应变传感器的制备方法制备得到的传感膜层在显微镜下的表面形貌图。

现参照图2所示，采用显微镜观测所述传感膜层，检查微裂纹在所述传感膜层上的分布情况；同时检查微裂纹的宽度、长度、密度及深度是否符合要求。

图3示出了本发明实施例中的传感膜层受力形变的示意图。在本发明实施例中，所述传感膜层通过所述导电电极层设置在所述柔性聚合物基体上，所述传感膜层与所述柔性聚合物基体共形，所述传感膜层所产生形变的大小、方向、角度与所述柔性聚合物基体相同。

参照图3中的(a)图所示，当所述柔性聚合物基体没有受到外应力时，所述传感膜层及其上的网状微裂纹结构保持正常的状态，所述传感膜层的导电性不变，电阻值也不会发生变化。

参照图3中的(b)图所示，当所述柔性聚合物基体受到张应力时，产生扩张变形，相应地，所述传感膜层的网状微裂纹结构在张应力作用下，也会产生扩张变形，使传感膜层的导电性减弱，电阻值变大。

参照图3中的(c)图所示，当所述柔性聚合物基体受到压应力时，产生压缩变形，相应地，所述传感膜层的网状微裂纹结构在压应力作用下，也会产生压缩变形，使传感膜层的导电性增强，电阻值变小。

也就是说，可通过检测所述传感膜层的电阻值的变化方向，辨别所述柔性聚合物基体产生的形变是属于压缩变形还是拉伸变形，实现所述柔性聚合物基体的双向弯曲检测。

通过该步骤可以在所述传感膜层形成裂纹深度小于所述传感膜层厚度的网状微裂纹结构，该网状微裂纹结构产生压缩形变或扩张形变时，会导致所述传感膜层的导电连通性发生显著变化，具体表现在所述传感膜层的电阻值产生显著变化，以使具有所述传感膜层的柔性应变传感器具有高灵敏度，可用于检测极其微小的压缩形变或扩张形变信号。

在所述传感膜层形成网状微裂纹结构之后，还包括在所述导电电极层上连接引线的步骤和对包含所述传感膜层的所述柔性聚合物基体进行保护性封装的步骤，以获得可以商用的柔性应变传感器。

由此可见，本发明实施例中的柔性应变传感器的制备方法，通过简单、成熟、通用、成本低的涂覆工艺在预先洁净的柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料，烘干后形成厚膜结构的导电电极层；厚膜结构的所述导电电极层具有良好导电性和机械强度，可以为后续涂覆的传感膜层提供导电基层。通过简单、成熟、通用、成本低的涂覆工艺在所述导电电极层上涂覆低材料成本的导电复合油墨，烘干固化后形成厚膜结构的传感膜层；通过简单的机械弯曲方法重复弯折所述柔性聚合物基体，使结构强度较低的所述传感膜层上形成裂纹深度小于传感膜层的厚度网状微裂纹结构；该网状微裂纹结构具有良好的结构稳定性和功能稳定性，以使通过所述传感膜层制成的柔性应变传感器具有较长的使用寿命。

与采用微电子制作工艺制备的具有微裂纹结构的金属薄膜传感膜层相比，本发明实施例中的采用导电复合油墨制备的具有微裂纹结构的传感膜层为厚膜结构，网状微裂纹结构的裂纹数量多，密度大、深度大，能够切断或连接的导电通路数量多，导电通路的改变更明显，所述传感膜层的电阻值的变化也更加显著，可以检测到更微小的形变。相应地，柔性应变传感器具有更好的形变敏感性，较高的灵敏度。

另外，通过检测采用导电复合油墨制备的厚膜结构的传感膜层的电阻值的变化方向，可辨别柔性聚合物基体产生的形变是属于压缩变形还是拉伸变形，实现所述柔性聚合物基体的双向弯曲检测。

因此，与采用微电子制作工艺制备的具有微裂纹结构的金属薄膜柔性应变传感器相比，本发明实施例中制备方法，材料成本更低，工艺流程简单、通用、成熟，工艺成本低，有利于柔性应变传感器的大规模低成本生产。同时制备得到的柔性应变传感器不仅具有更好的形变敏感性，较高的灵敏度，还能实现双向弯曲的检测。进而有效解决了现有的柔性应变传感器制备方法存在的技术问题。

图4示出了本发明实施例中的柔性应变传感器的示意性结构图。

发明实施例中提供一种柔性应变传感器，示例性的，现参照图4所示，所述柔性应变传感器通过前述柔性应变传感器的制备方法制备得到；所述柔性应变传感器包括：

柔性聚合物基体100；

导电电极层200；所述导电电极层200设置在所述柔性聚合物基体100上；

传感膜层300；所述传感膜层300设置在所述导电电极层200上；所述传感膜层300具有网状微裂纹结构，所述网状微裂纹结构的裂纹深度小于所述传感膜层300的厚度。

应理解，本发明柔性应变传感器实施例中的柔性应变传感器，为前述本发明柔性应变传感器的制备方法实施例中的制备方法制备得到的柔性应变传感器。为了描述的方便和简洁，有关本发明柔性应变传感器实施例中的柔性应变传感器制备工艺和材料选择可参照制备方法实施例中的相关说明，在此不再赘述。

本发明实施例中，所述柔性应变传感器工作时，施加给所述柔性聚合物基体100的形变会导致所述传感膜层300的微裂纹结构的导电连通性发生改变，引起所述传感膜层300的电阻值产生显著变化，检测由于电阻值变化而导致的电压或者电流信号的变化大小和方向，可以判断所述柔性聚合物基体100形变的大小和方向。

具体的，当对所述柔性聚合物基体100施加张应力时，所述传感膜层300的裂纹间隙增大，原本接触的裂缝断开，导电通道破坏，使所述传感膜层300的电阻值增大。当对所述柔性聚合物基体100施加压应力时，所述传感膜层300的裂纹间隙减小，原本分离的裂缝重新接触形成新的导电通道，使所述传感膜层300的电阻值减小。进而，可通过检测所述传感膜层300的电阻值的变化大小，获得所述柔性聚合物基体100的形变量，可通过检测所述传感膜层300的电阻值的变化方向，辨别所述柔性聚合物基体3100产生的形变是属于压缩变形还是拉伸变形，实现所述柔性聚合物基体100的双向弯曲检测。

为了确保所述传感膜层300具有长时间使用的结构强度和具有较高的灵敏度和响应速度，本发明实施例中，可选地，所述传感膜层300的厚度为10～500μm。

厚度为10～500μm的所述传感膜层300具有足够的结构强度，使所述传感膜层300在实际应用中不易断裂和损坏。相较于厚度小于10μm的传感膜层，其具有良好的稳定性和可靠性；相较于厚度大于100μm的传感膜层，其具有较高的灵敏度和响应速度。也就是说。其兼顾结构强度与灵敏度，扩大了柔性应变传感器的适用范围。

Claims (10)

1.柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

在预先洁净的柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料，烘干形成导电电极层；

在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨，烘干固化形成传感膜层；

通过重复弯折所述柔性聚合物基体，使所述导电电极层上的所述传感膜层形成网状微裂纹结构，获得具有网状微裂纹结构的所述柔性应变传感器；其中，所形成的网状微裂纹结构的裂纹深度小于所述传感膜层的厚度。

2.根据权利要求1所述的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，在预先洁净的所述柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料的步骤具体为：

通过喷涂、滚涂、刮涂或丝网印刷的方法在预先洁净的所述柔性聚合物基体上涂覆导电电子浆料。

3.根据权利要求1所述的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨的步骤具体为：

通过喷涂、滚涂、刮涂或丝网印刷的方法在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨。

4.根据权利要求1-3任一项所述的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，在所述导电电极层上涂覆含有导电填料的导电复合油墨的步骤之前，所述制备方法还包括：

将所述导电填料加入丝印油墨中，经混合分散后得到导电复合油墨；其中，所述导电填料与所述丝印油墨的质量比为1:2～20。

5.根据权利要求4所述的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述导电填料为导电石墨、导电炭黑、导电聚合物、石墨片、金属纳米颗粒、Mxenes材料中的至少一种；所述导电填料的长径比小于1:20。

6.根据权利要求4所述的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述丝印油墨为PET油墨、PVC油墨、TPU油墨、EPOXY油墨中的一种。

7.根据权利要求1-3任一项所述的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述传感膜层的厚度为10～500μm。

8.根据权利要求1-3任一项所述的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，对所述柔性聚合物基体重复弯折的次数为100-10000次。

9.柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性应变传感器通过权利要求1-8任一项所述的柔性应变传感器的制备方法制备得到；所述柔性应变传感器包括：

柔性聚合物基体；

导电电极层；所述导电电极层设置在所述柔性聚合物基体上；

传感膜层；所述传感膜层设置在所述导电电极层上；所述传感膜层具有网状微裂纹结构，所述网状微裂纹结构的裂纹深度小于所述传感膜层的厚度。

10.根据权利要求9所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述传感膜层的厚度为10～500μm。