CN211346832U - 多功能柔性传感器 - Google Patents

Abstract

一种多功能柔性传感器，所述多功能柔性传感器包含磁流变层，具有磁流变效应且能在磁场作用下发生受力应变；以及导电层，形成于磁流变层上，具有压阻效应而能在受力应变下产生电阻变化，进一步还在导电层上形成感温层。本实用新型扩展了柔性传感器的相应信号类别，使之对磁、力及温度信号都有良好的感知反馈能力，同时制备工艺简单，循环稳定性良好，在柔性传感领域的多信号传感与大规模生产方面有较大应用潜力。

Description

多功能柔性传感器

技术领域

本实用新型属于智能传感技术领域，具体涉及一种多功能柔性传感器。

背景技术

由于具有良好的监测能力，柔性传感器广泛应用于运动捕捉、医学诊断、仿生工程等领域。但随着外界刺激的复杂化与应用需求的多样化，单一传感功能的柔性传感器已远远不能满足实际应用需求。基于此，研究人员逐渐展开多功能柔性传感器的研制工作。

由于磁场在生产生活中应用广泛，磁与力信号的复合响应是相关研究的一个热点。目前有一些报道将磁性材料和导电材料通过负载或者混合的方式进行复配，通过调节磁性材料在基体中的分布实现对导电材料的导电性能如电阻等的调控。

此外，环境温度也是影响人类健康生活的重要因素，因此科研人员也投入了大量的精力开发温度变化检测技术。目前有采用中空结构的复合压力传感膜和连续锥形结构的PDMS膜相结合，可以对外界刺激如压力、温度等进行有效放大和转移，具有良好的传感性能。

从目前所公开的报道来，对能够对外界多重刺激作出响应行为的多功能柔性传感器的研究仍然较少，特别地，对于能够同时感知外界应力、磁场刺激甚至温度变化的多功能柔性传感器的研制还极其缺乏，且大部分柔性传感器制备工艺复杂、造价昂贵。基于上述缺点，该类传感器难以满足复杂环境下的测量需求，同时不便于大规模生产应用。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种多功能柔性传感器，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种多功能柔性传感器，包括：磁流变层，具有磁流变效应且能在磁场作用下发生受力应变；以及导电层，形成于磁流变层上，具有压阻效应而能在受力应变下产生电阻变化。

其中，所述磁流变层的厚度为0.1～0.3mm；所述导电层的厚度为 0.3～0.6mm。

其中，所述导电层的形状为U形或半环形。

其中，所述多功能柔性传感器还包括感温层，形成于所述导电层上，具有感温变色性。

其中，所述感温层的厚度为0.3～0.8mm。

其中，所述导电层与导线连接，用于采集变化的电阻信号。

基于上述技术方案，本实用新型至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本实用新型的多功能柔性器包括叠加而成的磁流变层和导电层，拓展了柔性传感器的响应信号类别，使之对磁、力信号都有良好的感知反馈能力；

(2)采用叠加组装的方式可以避免混合复配的方式导致器变硬，保证了柔性器的柔韧性和拉伸性能良好，提高了力灵敏度；

(3)在导电层上还进一步叠加感温层，进一步拓展了柔性传感器的响应信号，是指对温度信号也具有良好的感知反馈能力；

(4)同时，该多功能柔性传感器制备工艺简单，且通过实验测得其循环稳定性良好。基于此，本发明在柔性传感领域的多信号传感与大规模生产等方面具有较大的应用潜力。

附图说明

图1为本实用新型实施例4-1的多功能柔性传感器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例2-1至2-4的不同羰基铁粉含量的材料的磁流变性能图；

图3a为本实用新型实施例3-1至3-4的不同碳纳米管含量的材料的阻抗性能图；

图3b为本实用新型实施例3-3至3-4的不同碳纳米管含量的材料的电阻性能图；

图4a为本实用新型对比例3-1的碳纳米管与羰基铁粉混合复配制备的材料的电阻性能图；

图4b为本实用新型实施例3-4和2-3及对比例3-1的材料在不同剪切频率下的储能模量变化图；

图5a为本实用新型实施例3-4碳纳米管质量分数为4.2％的材料受20 牛顿的外力压缩时电阻变化图；

图5b为本实用新型实施例3-4碳纳米管质量分数为4.2％的材料受40 牛顿的外力压缩时电阻变化图；

图5c为本实用新型实施例3-4碳纳米管质量分数为4.2％的材料受60 牛顿的外力压缩时电阻变化图；

图5d为本实用新型实施例3-4碳纳米管质量分数为4.2％的材料受70 牛顿的外力压缩时电阻变化图；

图6为本实用新型实施例4-2多功能柔性传感器在磁场作用下，弯曲一定角度时的电阻变化图谱；

图7为本实用新型实施例4-2多功能柔性传感器穿戴于人手，随手指弯曲不同角度时的电阻变化图谱；

图8为本实用新型实施例5-1多功能柔性传感器制备而成的抓手器件的尺寸规格示意图；

图9a为本实用新型实施例5-1的抓手器件在低温条件下，通过磁场作用抓取物件时的电阻变化图谱；

图9b为本实用新型实施例5-1的抓手器件在高温条件下，通过磁场作用抓取物件时的过程示意图及电阻变化图谱。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

根据本实用新型的一些实施例，提供了一种多功能柔性传感器，包括：磁流变层，具有磁流变效应且能在磁场作用下发生受力应变；以及导电层，形成于磁流变层上，具有压阻效应而能在受力应变下产生电阻变化。

本实用新型通过将磁流变层和导电层叠加组装，同时对磁、力信号有良好的响应，具体而言，磁流变层在磁场作用下受力应变，使传感器整体产生了力学性能的变化，体现出磁控特性；基于此，导电层在外界力作用下由于压阻效应产生电阻的变化，能够输出传感信号，体现出传感功能。

其中，磁流变层的厚度为0.1～0.3mm；导电层的厚度为0.3～0.6mm。将两层采用叠加而非混合复配的设置，是为了兼顾传感器的柔性与导电性，可以将磁流变层较薄设置来保证柔性较好，导电层较厚设置来保证电阻适中；若混合复配，会导致传感器较厚则柔性较差，器较薄则电阻较高。

其中，磁流变层包括硅橡胶基体和磁性粒子，磁性粒子均匀分布于硅橡胶基体中；作为优选，硅橡胶基体和磁性粒子的质量比为1：100～10：1，更优选为1：50至5：1，进一步优选为1：20至2：1，最优选为1：10 至1：1。作为优选，磁性粒子选自含铁、镍或其他铁磁金属的微纳米粒子，更优选地，磁性粒子为羰基铁粉，具有粒径小、活性大以及磁导率高的优点。

其中，导电层包括硅橡胶基体和导电纳米粒子，导电纳米粒子均匀分布于硅橡胶基体中；作为优选，橡胶基体和导电纳米粒子的质量比为200： 1至1：1，更优选为150：1至2：1，进一步优选为100：1至3：1，最优选为50：1至4：1；作为优选，导电纳米粒子选自含碳纳米粒子例如碳纳米管、炭黑等，更优选地，导电纳米粒子为碳纳米管，相较于炭黑而言，碳纳米管质轻，且导电性和分散性更优，传感能力更好。

作为优选，导电层的形状为U形或半环形，可以约束电流通过固定通路，从而对通路上任一处的外力刺激产生显著响应。若导电层设计为类似磁流变层的平面状，由于可能的导电路径较多，因此当离导线较远处受到外力刺激时，响应信号相对较弱。

其中，多功能柔性传感器还包括感温层，形成于导电层上，具有感温变色性；作为优选，感温层的厚度为0.3～0.8mm，以免在观察时导电层偏深的颜色对感温层产生影响。

其中，感温层包括硅橡胶基体和感温变色粒子，感温变色粒子均匀分布于硅橡胶基体中；作为优选，硅橡胶基体与感温变色粒子的质量比为300： 1至10：1，更优选为250：1至20：1，进一步优选为220：1至40：1，最优选为200：1至50：1；作为优选，感温变色粒子包括温变粉红、温变粉蓝和温变粉黑，更优选地，温变粉红、温变粉蓝和温变粉黑的质量比为 1：1：1至10：1：1的。

作为优选，上述硅橡胶基体可选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)或Ecoflex 系列硅橡胶等，优选为Ecoflex系列硅橡胶，相对来说具有更好的柔性、拉伸性能。

根据本实用新型的一些实施例，还提供了一种如上所述的多功能柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：

分别制备磁流变层、导电层；

将磁流变层和导电层叠加组装，得到多功能柔性传感器。

其中，磁流变层通过以下步骤制备：

a.将硅橡胶基体与磁性粒子混合；

b.对步骤a中获得的混合物进行真空除气处理；

c.对经过真空处理的混合物进行室温固化处理；

导电层通过以下步骤制备：

d.将硅橡胶基体与导电纳米粒子混合；

e.对步骤d中获得的混合物进行真空除气处理；

f.对经过真空处理的混合物进行热固化处理。

其中，该制备方法还包括在磁流变层和导电层叠加组装后，在导电层上制备感温层的步骤，具体包括以下步骤：

g.将硅橡胶基体与感温变色粒子混合；

h.对步骤g中获得的混合物进行真空除气处理；

i.对经过真空处理的混合物添加至导电层表面，并进行热固化处理。

其中，硅橡胶基体通过将Ecoflex系列硅橡胶的A和B两部分按照质量比为1：3至3：1均匀混合制备得到。

以下列举具体实施例来对本实用新型的技术方案作进一步说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

硅橡胶基体的制备：

实施例1-1：

取下列质量分数的原料：

Ecoflex 0030A：25％

Ecoflex 0030B：75％

硅橡胶基体的制备步骤如下：

将Ecoflex 0030A与Ecoflex 0030B均匀混合2～3分钟，得到所需硅橡胶基体，其中Ecoflex 0030A与Ecoflex 0030B购自道康宁Smooth-On Ecoflex Series。

实施例1-2：

取下列质量分数的原料：

Ecoflex 0030A：50％

Ecoflex 0030B：50％

其它同实施例1-1。

实施例1-3：

取下列质量分数的原料：

Ecoflex 0030A：75％

Ecoflex 0030B：25％

其它同实施例1-1。

磁流变层的制备：

实施例2-1：

取下列质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：80％

羰基铁粉：20％

制备步骤如下：

(1)将上述硅橡胶基体和羰基铁粉均匀混合；

(2)将上述混合物真空处理以除去气泡；

(3)对经过真空处理的混合物经过室温固化处理，成型收样。

实施例2-2：

取下列质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：60％

羰基铁粉：40％

其它同实施例2-1。

实施例2-3：

取下列质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：40％

羰基铁粉：60％

其它同实施例2-1。

实施例2-4：

取下列质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：20％

羰基铁粉：80％

其它同实施例2-1。

实施例2-5：

取下列质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：40％

镍粉：60％

其它同实施例2-1。

性能测试：

利用流变仪(Physica MCR 301,Anton Paar Co.,Austria)，采用直径为 20mm的平板型转子，间隙设置为1mm。测量过程中，将待测样品裁剪为直径为20mm，高为1mm的圆柱形，通过外部线圈产生可控磁场，采取振荡剪切测试模式，应变和频率分别是0.1％和1Hz，温度设置为25℃，所采集的数据为其储能模量(动态弹性模量)随磁感应强度的变化关系，如下表1和图2所示。

表1 是不同质量分数的磁性粒子填充的材料的磁流变性能参数。

由上表1和图2可见，当无外界磁场加载时，含羰基铁粉的材料初始储能模量均较小，且随着羰基铁粉含量的增加，初始储能模量随着增大，这表明羰基铁粉的添加增加了材料的硬度，即使得材料柔性下降。而当受到磁场作用时，其储能模量随磁场强度的增加而不断增大，且材料的最大储能模量与相对磁流变效应也随着羰基铁粉含量的增加而增大，最高可达 893.83％，表现出典型的磁流变性能和良好的性能可控效应。此外，可以看出，镍粉填充制备的材料也表现出一定的磁流变效应，但与相同含量的羰基铁粉相比效应较差。

导电层的制备：

实施例3-1：

取下列质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：98％

碳纳米管：2％

制备步骤如下：

(1)将上述硅橡胶基体和碳纳米管均匀混合；

(2)将上述混合物真空处理以除去气泡；

(3)对经过真空处理的混合物经过60℃高温固化处理，冷却收样。

实施例3-2：

取下列质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：97％

碳纳米管：3％

其它同实施例3-1。

实施例3-3：

取下列质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：96％

碳纳米管：4％

其它同实施例3-1。

实施例3-4：

取下列质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：95.8％

碳纳米管：4.2％

其它同实施例3-1。

实施例3-5：

取下列质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：95.8％

炭黑：10％

其它同实施例3-1。

对比例3-1：

取下列质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：38.32％

碳纳米管：1.68％

羟基铁粉：60％

其它同实施例3-1。

性能测试1：

采用电化学综合测试系统(Solartron analytical,AMETEK advancedmeasurement technology,Inc.,United Kingdom)，将待测样品裁剪为长为 50mm，横截面积为10mm×1mm的长条状，两侧通过导线连接测试系统。在图3a测试过程中，将电压保持在1V，实时记录电流值；在图3b和4a 测试过程中，电压从0V线性增加至2V，实时记录电流值；在图5a～5d测试过程中，电压保持为恒定的4V，实时记录电流值。上述电流值也可相应转换为电阻值，从而得到所示图像。

表2 是不同质量分数的导电纳米粒子填充的材料的导电性能参数。

由上表2可见，含碳纳米管的材料的电阻率随碳纳米管含量的增加而不断减小，不同碳纳米管含量的材料的阻抗、电阻性能见图3a～3b。由实验结果可知，碳纳米管质量分数为4.2％的材料的电阻率已经较低，能够满足对力信号的响应需求，在力传感测试实验中表现良好。由图5a、5b、5c 可见，该材料在受到外力压缩条件下电阻显著提高，且电阻增幅与外界应力成正相关。由图5d可见，该材料在经过多次加-卸载后，其电阻相对变化仍维持在一个稳定的水平，即该材料稳定性较好。此外，可以看出炭黑填充制备的材料也表现出一定的导电性，但和碳纳米管相比，其导电性能较差。

性能测试2：

利用流变仪(Physica MCR 301,Anton Paar Co.,Austria)，采用直径为 20mm的平板型转子，间隙设置为1mm。测量过程中，将待测样品裁剪为直径为20mm，高为1mm的圆柱形，采取振荡剪切测试模式，剪切应变设置为0.1％，剪切频率从0.1Hz增加至100Hz，温度设置为25℃，所采集的数据为其储能模量(动态弹性模量)随剪切频率的变化关系，如图4b 所示。

表3 是不同材料性能参数对比。

由上表3和图4a～4b可见，在质量分数为4.2％的碳纳米管填充材料中掺杂质量分数为60％的羰基铁粉，所得材料导电性有小幅提升，然而其储能模量大幅提升，即其硬度显著增强。因此为了兼顾柔性与导电性，采用将磁流变层与导电层叠加的组合方式，前者设置较薄而后者设置较厚，从而满足使用需求。

多功能柔性传感器的制备：

实施例4-1：

取下例质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：99.9％

温变粉红：0.06％

温变粉蓝：0.02％

温变粉黑：0.02％

制备步骤如下：

(1)将上述硅橡胶基体和感温变色粒子均匀混合；

(2)将上述混合物真空处理以除去气泡；

(3)取上述实施例2-4中的磁流变层材料成品，裁剪成一个 40mm×15mm×0.2mm的长方体形，见图1(左一)；取上述实施例3-4中的导电层材料成品，裁剪成U形，以约束电流通过固定通路，较矩形平面而言，能对通路上任意处的外力刺激产生显著响应，尺寸规格见图1(左二)；将二者组装，并将经过真空处理的混合物添加至其表层，使整体构成一个40mm×15mm×1mm的长方体形，见图1(右一)；

(4)将上述整体经过60℃高温固化处理，冷却收样。

上述得到的多功能柔性传感器由3个功能层构成，依次为磁流变层、导电层和感温层。底层由羰基铁粉填充，具有优良的磁流变效应；中层由碳纳米管填充，具有优异的导电性能，可实现力传感功能，能够感知和监测外力大小；表层由感温变色粒子填充，对温度有良好的响应，不同温度条件下颜色变化较为明显。

实施例4-2：

取下例质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：99.5％

温变粉红：0.3％

温变粉蓝：0.1％

温变粉黑：0.1％

其它同实施例4-1。

实施例4-3：

取下例质量分数的原料：

上述实施例1-2中的硅橡胶基体：99％

温变粉红：0.6％

温变粉蓝：0.2％

温变粉黑：0.2％

其它同实施例4-1。

实施例4-4：

取下例质量分数的原料：

上述实施例2中的硅橡胶基体：98％

温变粉红：1.2％

温变粉蓝：0.4％

温变粉黑：0.4％

其它同实施例4-1。

性能测试：

和实施例3-4(对应图5a～5d)的导电性能测试方法类似，区别在于，对应于图6，通过磁铁施加磁场，将磁铁靠近多功能柔性传感器的中部，通过磁力诱导传感器产生形变，从而产生相应电阻变化，这体现了传感器的磁驱动和感知特性；对应于图7，将传感器固定于手指，传感器随手指弯曲而变形，从而产生相应电阻变化。这表明传感器可以用于运动感知，体现了其对力与变形的良好的监测能力。

同时，传感器表层在不同温度下呈现不同的颜色，可以被用于环境温度的评估监测。由此可见，该传感器对磁、力及温度信号都有良好的感知、反馈或监测能力，这正是多功能柔性传感器所追求的多信号复合响应特征，因此其具有较大的应用潜力。

此外，通过实施例4-1至4-4的实验发现，在保持相同配比的情况下，感温变色粒子的含量越多，多功能柔性传感器的颜色越明显。当感温变色粒子的质量分数为0.5％时，其颜色随温度的变化已相当明显，足以满足使用需求，如在环境温度分别为5℃，25℃与55℃时，该传感器分别呈紫色，蓝色与灰色。通过进一步实验发现其在5℃至70℃都有较好的感温变色效应，这表明传感器的温控区间是较大的。

实施例5-1：

基于多功能柔性传感器的上述特性，本实施例拓展设计了一款抓手器件，并采用和实施例4-1类似的制备方法制作而成，区别仅在于形状尺寸见图8，分别以烧杯水温及永磁铁模拟环境温度与外加磁场，将物件置于烧杯的水中，基于对称性，将抓手器件一臂的导电层通过导线连接于电学测试系统，其可以提供4V的电压激励并实时测量电流，并转换为电阻的变化图谱，体现器件在工作(入水抓取物件并抬出水面)过程中的传感性能，见图9a、9b，用以表征该多功能柔性传感器的实际应用能力。由图 9a、9b可见，整个过程出现四个峰值，依次对应器件入水、抓取物件、抬升物件及物件出水的情境，同时可观察到其在不同温度下工作时表面感温功能层呈现不同颜色。上述研究结果表明本申请中的多功能柔性传感器既可以通过外加磁场改变其形态，也可实时探测监控工作环境的温度变化及外界应力的大小情况，显示出了良好的多功能性。

综上所述，本实用新型的多功能柔性传感器拓展了柔性传感器的响应信号类别，使之对磁、力及温度信号都有良好的感知反馈能力。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多功能柔性传感器，其特征在于，包括：

磁流变层，具有磁流变效应且能在磁场作用下发生受力应变；以及

导电层，形成于磁流变层上，具有压阻效应而能在受力应变下产生电阻变化。

2.根据权利要求1所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述磁流变层的厚度为0.1～0.3mm；所述导电层的厚度为0.3～0.6mm。

3.根据权利要求1所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述导电层的形状为U形或半环形。

4.根据权利要求1所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述多功能柔性传感器还包括感温层，形成于所述导电层上，具有感温变色性。

5.根据权利要求4所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述感温层的厚度为0.3～0.8mm。

6.根据权利要求1所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述导电层与导线连接，用于采集变化的电阻信号。

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