CN220216721U - 一种柔弹性阵列传感器制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔弹性阵列传感器制备装置。系统包括：3D打印设备，用于打印目标纤维；浇注系统，用于浇注柔弹性阵列传感器，所述浇注系统包括开关装置；控制设备，所述控制设备与所述3D打印设备通信连接，用于接收所述3D打印设备发送的实时信息，所述控制设备还与所述开关装置通信连接，用于向所述开关装置发送启闭指令以控制所述开关装置开启或关闭。本实用新型所采用的柔弹性阵列传感器制备装置能够快速制备高性能的柔性阵列传感器，制作过程简单且制作成本低。

Description

一种柔弹性阵列传感器制备装置

技术领域

本实用新型涉及传感技术领域，特别涉及一种柔弹性阵列传感器制备装置。

背景技术

随着社会信息化程度的提升，人与信息的有机融合成为新型传感技术发展的必然趋势。柔性传感器作为一种智能化、易携带的信息载体，可以促进人与环境之间的高效交互，在智能电子、机器人感知、健康监测、运动监控等领域有着广泛的应用前景。然而，柔性传感器在器件制备方面仍然面临着巨大的挑战，快速自动化的制备柔性导电材料还亟待探索。

因此，现有技术还有待改进和提高。

实用新型内容

本实用新型提供一种柔弹性阵列传感器制备装置，旨在解决现有技术中的制备装置在制造柔性导电材料时制备较慢的问题。

本实用新型提供的一种柔弹性阵列传感器制备装置，包括：

3D打印设备，用于打印目标纤维；

浇注系统，用于浇注柔弹性阵列传感器，所述浇注系统包括开关装置；

控制设备，所述控制设备与所述3D打印设备通信连接，用于接收所述3D打印设备发送的实时信息，所述控制设备还与所述开关装置通信连接，用于向所述开关装置发送启闭指令以控制所述开关装置开启或关闭。

所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其中，所述浇注系统包括：

目标模具，用于限制所述柔弹性阵列传感器形状；

第一容器，所述第一容器与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第一启闭指令，并根据所述第一启闭指令开启或关闭，以实现所述第一容器中第一液体的通断；

加热设备，所述加热设备与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第二启闭指令，并根据所述第二启闭指令开启或关闭，以实现对所述目标模具内的所述第一液体的加热；

超声振荡设备，所述超声振荡设备与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第三启闭指令，并根据所述第三启闭指令开启或关闭，以使得所述目标纤维溶解；

注射设备，所述注射设备与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第四启闭指令，并根据所述第四启闭指令开启或关闭，以实现向所述目标模具注射目标金属液。

所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其中，所述第一启闭指令包括第一时长启闭指令、第二时长启闭指令和第三时长启闭指令，所述第一时长启闭指令和所述第三时长启闭指令用于使得所述第一液体的第一次浇注厚度和第三次浇注厚度在0.8至1.5毫米之间、所述第二时长启闭指令用于使得所述第一液体的第二次浇注厚度在0.4至0.6毫米之间。

所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其中，所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括：

混合容器，所述混合容器用于混合所述第一液体，并将混合后的所述第一液体倒入第一容器中；

金属容器，所述金属容器用于制备目标金属液，与所述注射设备通过管道连接，当所述注射设备接收到所述第四启闭指令，所述注射设备获取所述金属容器内的目标金属液进行注射。

所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其中，所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括：电子天平，所述电子天平用于获取预设比例的PDMS的A胶与B胶后倒至所述混合容器内。

所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其中，所所述目标模具为正方形。

所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其中，所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括机械臂，所述机械臂与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第六启闭指令，并根据所述第六启闭指令开启或关闭，以实现所述目标纤维和所述目标模具的位置变换。

所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其中，所述目标纤维为多个；

所述目标纤维为基底材料内部形成目标变截面微结构的目标形状的纤维。

所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其中，所述目标金属液为镓基金属液，其中，所述镓基金属液内部混合了微纳米尺度的石墨烯、碳纳米管、MXENE以及多种金属颗粒。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型提供了一种柔弹性阵列传感器制备装置。本实用新型提供的柔弹性阵列传感器制备装置中包括：3D打印设备，用于打印目标纤维；浇注系统，用于浇注柔弹性阵列传感器，所述浇注系统包括开关装置；控制设备，所述控制设备与所述3D打印设备通信连接，用于接收所述3D打印设备发送的实时信息，所述控制设备还与所述开关装置通信连接，用于向所述开关装置发送启闭指令以控制所述开关装置开启或关闭。本实用新型所采用的柔弹性阵列传感器制备装置能够快速制备高性能的柔性阵列传感器，制作过程简单且制作成本低。

附图说明

图1为本实用新型提供的柔弹性阵列传感器制备装置的实施例的结构示意图；

图2为本实用新型提供的柔弹性阵列传感器制备装置的实施例中目标纤维图；

图3为本实用新型提供的柔弹性阵列传感器制备装置的实施例中柔弹性阵列传感器制作流程图；

图4为本实用新型提供的柔弹性阵列传感器制备装置的实施例中柔弹性阵列传感器结构示意图；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

实施例一

本实用新型较佳实施例中所述的一种柔弹性阵列传感器制备装置，具体地，如图1中所示，所述柔弹性阵列传感器制备装置包括：3D打印设备100，用于打印目标纤维。

其中，所述目标纤维为多个；

所述目标纤维为基底材料内部形成目标变截面微结构的目标形状的纤维。

具体地，所述3D打印设备100根据所述目标纤维的参数，并通过G-CODE代码获取3D打印参数，以降低打印速度和降低打印高度来实现使用水溶性打印材料打印纤维截面形状的变化。

水溶性打印材料包括水溶性高分子聚合物例如PVA(聚乙烯醇)、PEO(聚环氧乙烷)、PVP(聚乙烯吡洛烷酮)、PAA(聚丙烯酸)、PEI(聚乙烯亚胺)、PAM(聚丙烯酰胺)、PEG(聚二乙醇)等；可溶性糖类，例如麦芽糖醇等；天然高分子聚合物例如纤维素、EC(乙基纤维素)、玉米醇蛋白等等。

将打印喷头根据不同的打印材料控制在不同温度范围内进行打印。在本实施例中，使用PVA打印具有特殊的变截面结构的纤维。具体地，控制PVA的打印喷头温度在200-220℃之间，并分别控制最大打印速度和最小打印速度在2000-1000mm/min、50-100mm/min这两个区间内，最大打印高度和最小打印高度在2.0-1.0mm、0.1-0.5mm这两个区间内。由于在PVA材料持续挤出的过程中，降低打印速度和高度会产生打印膨胀点，因此，通过G-CODE代码控制相邻打印膨胀点之间的距离在5mm-15mm之间，以得到变截面结构，也就是所述目标纤维。在本实施例中，所述目标纤维如图2所示。

如图1中所示，所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括浇注系统200，用于浇注柔弹性阵列传感器，所述浇注系统200包括开关装置。

控制设备300，所述控制设备300与所述3D打印设备100通信连接，用于接收所述3D打印设备100发送的实时信息，所述控制设备300还与所述开关装置通信连接，用于向所述开关装置发送启闭指令以控制所述开关装置开启或关闭。

具体地，所述浇注系统200包括：

目标模具210，用于限制所述柔弹性阵列传感器形状。

在本实施例中，所述目标模具为正方形，选择大小与所述目标纤维相匹配的所述目标模具。当所述第一液体在所述目标模具内进行浇注时，分成三次进行浇注。

所述浇注系统200还包括第一容器220，所述第一容器220与所述控制设备300通信连接，用于接收所述控制设备300发送的第一启闭指令，并根据所述第一启闭指令开启或关闭，以实现所述第一容器中第一液体的通断。

常用的柔性导电材料包括石墨烯、碳纳米管、纳米金属、液态金属等。在本实施例中，使用液态金属来制备阵列传感器。具体地，液态金属是指一类熔点低于200℃的金属材料，如镓基、铟基合金等。当熔点足够低时，液态金属会在室温下呈现流体状态。由于液态金属兼具较强的流动性和良好的导电性，所以在印刷电子和柔性传感器电极制备方面有着独特的优势。

而柔性基底材料可以给传感器提供良好的机械柔韧性和环境稳定性。常见的柔性基底材料包括PI、PET、PU、PDMS等。在本实施例中，使用PDMS作为基底材料对液态金属进行封装。具体地，PDMS是光学透明的，具有较好的生物相容性、电绝缘性，同时耐摩擦、拉伸，因此广泛用作柔性传感器件的基底材料。

因此，在本实施例中，所述第一液体为PDMS的A胶与B胶按质量10:1混合均匀后的电负性弹性材料。

具体地，浇注材料为所述第一液体，也就是液态PDMS。具体地，采用PDMS电负性弹性材料，将PDMS的A胶和B胶按质量10：1混合，搅拌均匀，得到所述第一液体。控制所述第一液体使用离心搅拌充分混合均匀，以在负压作用下去除内部气泡。

也就是说，所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括：

混合容器500，所述混合容器500用于混合所述第一液体，并将混合后的所述第一液体倒入第一容器中。

同时，所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括电子天平400，所述电子天平400用于获取预设比例的PDMS的A胶与B胶后倒至所述混合容器500内。

所述第一启闭指令包括第一时长启闭指令、第二时长启闭指令和第三时长启闭指令，所述第一时长启闭指令和所述第三时长启闭指令用于使得所述第一液体的第一次浇注厚度和第三次浇注厚度在0.8至1.5毫米之间、所述第二时长启闭指令用于使得所述第一液体的第二次浇注厚度在0.4至0.6毫米之间。

当基于三次所述第一启闭指令使得所述第一液体在所述目标模具内进行浇注时，分成三次进行浇注，得到第一样品，其中，第一次浇注时所述第一启闭指令为所述第一时长启闭指，第二次浇注时所述第一启闭指令为所述第二时长启闭指，第三次浇注时所述第一启闭指令为所述第三时长启闭指。在第一次浇注完成后使用机械臂将所述目标纤维放置于半固化的第一浇注层上，在第二次浇注完成后使用机械臂将所述目标纤维放置于半固化的第二浇注层上，其中，机械臂为现有技术，图1中未示出。也就是说，所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括机械臂，所述机械臂与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第六启闭指令，并根据所述第六启闭指令开启或关闭，以实现所述目标纤维和所述目标模具的位置变换。

所述浇注系统200还包括加热设备230，所述加热设备230与所述控制设备300通信连接，用于接收所述控制设备300发送的第二启闭指令，并根据所述第二启闭指令开启或关闭，以实现对所述目标模具内的所述第一液体的加热。

具体地，所述在第一次浇注完成后使用机械臂将所述目标纤维放置于半固化的第一浇注层上前，所述加热设备230会接收的所述控制设备300发送的第一条所述第二启闭指令，以使得所述第一浇注层在40至60度条件下固化20至30分钟，得到半固化的所述第一浇注层。

然后，所述机械臂接收所述控制设备300发送的第一条所述第六启闭指令，将多条所述目标纤维平行于x轴并按平均间隔放置于半固化的所述第一浇注层上，其中所述x轴平行于所述目标模具的其中一条边。

所述在第二次浇注完成后使用机械臂将所述目标纤维放置于半固化的第二浇注层上前，所述加热设备230会接收的所述控制设备300发送的第二条所述第二启闭指令，以使得所述第二浇注层在40至60度条件下固化20至30分钟，得到半固化的所述第二浇注层；

然后，所述机械臂接收所述控制设备300发送的第二条所述第六启闭指令，将多条所述目标纤维垂直于x轴并按平均间隔放置于半固化的所述第二浇注层上。

具体地，如图3所示，当第一次浇注时，控制适量的所述第一液体浇注于事先准备好的所述目标模具内，所述第一液体的用量根据模具的具体大小决定，浇注厚度保持在0.8-1.5mm，温度在40-60℃的条件下固化20-30min，得到所述第一浇注层，所述第一浇注层为PDMS基底的下封装层，然后在第一次浇注完成后控制所述目标纤维放置于半固化的第一浇注层上，具体地，将多条所述目标纤维平行于x轴并按平均间隔放置于半固化的所述第一浇注层上，其中所述x轴平行于所述目标模具的其中一条边。

当第二次浇注时，控制适量的所述第一液体继续浇注于所述目标模具内，保持浇注厚度在0.4-0.6mm，温度在40-60°的条件下固化20-30min，得到所述第二浇注层，所述第二浇注层为间隔层，然后在第二次浇注完成后控制所述目标纤维放置于半固化的第二浇注层上，具体地，将多条所述目标纤维垂直于x轴并按平均间隔放置于半固化的所述第二浇注层上。

当第三次浇注时，控制适量的所述第一液体继续浇注于所述目标模具内，保持浇注厚度在0.8-1.5mm，温度在80-85℃的条件下固化30-60min，得到第三浇注层，所述第三浇注层为上封装层。至此，所述第一液体将变截面结构完全包裹住。最终的样品厚度在2-4mm之间。待所述第一液体(PDMS)材料完全固化后，得到所述第一样品。

参照图1，所述浇注系统200还包括超声振荡设备240，所述超声振荡设备与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第三启闭指令，并根据所述第三启闭指令开启或关闭，以使得所述目标纤维溶解。

具体地，在所述超声振荡设备接收所述第三启闭指令前，所述机械臂接收所述控制设备300发送的第三条所述第六启闭指令，以将所述第一样品放置于所述超声震荡设备的清水中。然后，所述超声振荡设备接收所述控制设备发送的第三启闭指令，并根据所述第三启闭指令开启或关闭，以使得所述目标纤维完全溶解于水，所述第一样品为PVA材料，其能完全溶解于水，当所述第一样品完全溶解后，得到内部具有微结构的目标样品。

参照图1，所述浇注系统200还包括注射设备250，所述注射设备250与所述控制设备300通信连接，用于接收所述控制设备300发送的第四启闭指令，并根据所述第四启闭指令开启或关闭，以实现向所述目标模具注射目标金属液。

在本实施例中，所述注射设备为Chemyx精密微量注射泵；所述目标金属液为镓基金属液，其中，所述镓基金属液内部混合了微纳米尺度的石墨烯、碳纳米管、MXENE以及多种金属颗粒。

具体地，在本实施例中，内层导电材料也就是所述目标金属液采用镓基金属液，内部混合适量微纳米尺度的石墨烯、碳纳米管、MXENE、金属颗粒(如Fe、Cu、Ni等)等，以调节粘度同时增强导电性。控制所述目标金属液使用离心搅拌充分混合均匀，以在负压作用下去除内部气泡。

所述注射设备250接收所述控制设备300发送的所述第四启闭指令，以使得所述目标金属液从金属容器600注射至所述目标样品中。

也就是说，所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括金属容器600，所述金属容器600用于制备目标金属液，与所述注射设备通过管道连接，当所述注射设备接收到所述第四启闭指令，所述注射设备250获取所述金属容器600内的目标金属液进行注射，使其注射入所述目标样品内，得到目标半成品。

所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括封装设备700，所述封装设备700与所述控制设备300通信连接，用于接收所述控制设备300发送的第五启闭指令，并根据所述第五启闭指令开启或关闭，以实现对所述柔弹性阵列传感器的封装。

具体地，所述封装设备接接收所述第五指令以使得所述目标金属液连接引线并将所述目标半成品进行封装，完成整个传感阵列的制作，得到所述柔弹性阵列传感器，在本实施例中，所述柔弹性阵列传感器的最终样品结构如图4所示，图4中的5、3、1分别为所述第一浇注层、所述第二浇注层和所述第三浇注层，4、2为所述目标纤维。

综上所述，本实施例提供一种柔弹性阵列传感器制备装置，所述的柔弹性阵列传感器制备装置中包括：3D打印设备，用于打印目标纤维；浇注系统，用于浇注柔弹性阵列传感器，所述浇注系统包括开关装置；控制设备，所述控制设备与所述3D打印设备通信连接，用于接收所述3D打印设备发送的实时信息，所述控制设备还与所述开关装置通信连接，用于向所述开关装置发送启闭指令以控制所述开关装置开启或关闭。本实用新型所采用的柔弹性阵列传感器制备装置能够快速制备高性能的柔性阵列传感器，制作过程简单且制作成本低。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种柔弹性阵列传感器制备装置，其特征在于，所述柔弹性阵列传感器制备装置包括：

3D打印设备，用于打印目标纤维；

浇注系统，用于浇注柔弹性阵列传感器，所述浇注系统包括开关装置；

控制设备，所述控制设备与所述3D打印设备通信连接，用于接收所述3D打印设备发送的实时信息，所述控制设备还与所述开关装置通信连接，用于向所述开关装置发送启闭指令以控制所述开关装置开启或关闭。

2.根据权利要求1所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其特征在于，所述浇注系统包括：

目标模具，用于限制所述柔弹性阵列传感器形状；

第一容器，所述第一容器与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第一启闭指令，并根据所述第一启闭指令开启或关闭，以实现所述第一容器中第一液体的通断，以使得所述第一液体流入所述目标模具中；

加热设备，所述加热设备与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第二启闭指令，并根据所述第二启闭指令开启或关闭，以实现对所述目标模具内的所述第一液体的加热；

超声振荡设备，所述超声振荡设备与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第三启闭指令，并根据所述第三启闭指令开启或关闭，以使得所述目标纤维溶解；

注射设备，所述注射设备与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第四启闭指令，并根据所述第四启闭指令开启或关闭，以实现向所述目标模具注射目标金属液。

3.根据权利要求2所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其特征在于，所述第一启闭指令包括第一时长启闭指令、第二时长启闭指令和第三时长启闭指令，所述第一时长启闭指令和所述第三时长启闭指令用于使得所述第一液体的第一次浇注厚度和第三次浇注厚度在0.8至1.5毫米之间、所述第二时长启闭指令用于使得所述第一液体的第二次浇注厚度在0.4至0.6毫米之间。

4.根据权利要求2所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其特征在于，所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括：

混合容器，所述混合容器用于混合所述第一液体，并将混合后的所述第一液体倒入第一容器中；

金属容器，所述金属容器用于制备目标金属液，与所述注射设备通过管道连接，当所述注射设备接收到所述第四启闭指令，所述注射设备获取所述金属容器内的目标金属液进行注射。

5.根据权利要求4所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其特征在于，所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括：电子天平。

6.根据权利要求2所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其特征在于，所述目标模具为正方形。

7.根据权利要求2所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其特征在于，所述柔弹性阵列传感器制备装置还包括机械臂，所述机械臂与所述控制设备通信连接，用于接收所述控制设备发送的第六启闭指令，并根据所述第六启闭指令开启或关闭，以实现所述目标纤维和所述目标模具的位置变换。

8.根据权利要求1所述的柔弹性阵列传感器制备装置，其特征在于，所述目标纤维为多个；

所述目标纤维为基底材料内部形成目标变截面微结构的目标形状的纤维。