CN221006293U - 一种高拉伸性、高精度的蛇形电极结构的柔性应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于微纳传感电子技术领域，公开了一种高拉伸性、高精度的蛇形电极结构的柔性应变传感器。其主要包括有采用硅胶弹性体薄膜制成的顶部封装层和底部封装层、采用热塑性聚氨酯弹性体薄膜制成的上键合层与下键合层，顶部封装层、底部封装层分别通过热压工艺与上键合层、下键合层键合连接将蛇形电极层键合并封装在两者之间，蛇形电极层通过激光刻蚀工艺将导电性的刚性金属材料构建成蛇形电极结构，尤其蛇形电极层选用厚度为10μm的康铜电极材料刻蚀而成，并在蛇形电极层的两端外连接导线。经实验测试，本蛇形电极结构的柔性应变传感器的应变范围可以达到100%，应变范围内精度可以达到2.4%，经过疲劳测试后传感器线性度依旧高达99.5%。
Description
技术领域
本实用新型属于微纳传感电子技术领域，具体涉及为一种高拉伸性、高精度的蛇形电极结构的柔性应变传感器。
背景技术
随着柔性电子器件的快速发展，高效、精确的应变检测需求日益增加，而作为应变检测的前端--柔性应变传感器，是整个电子器件的关键部位。相较于传统的刚性应变传感器，柔性应变传感器在实际的应用中可以根据环境的不同任意地改变自适应度，开拓了其在复杂环境中或复杂工程系统中的应用，同时与之适配的后端采集电路和上位机系统也得到广泛开发，为实现信息可视化和显示平台的系统建立提供先决条件。
柔性应变传感器是一种新兴的传感器技术，它具有出色的柔韧性和可变形性，能够测量物体的形状和表面应变，广泛应用于医疗保健、可穿戴设备、机器人技术、电子皮肤和运动监测等多个领域。然而传统刚性传感器在测量不规则形状的物体或与生物体接触时，通常会面临精度不足、适应性差等问题。这促使柔性应变传感器这种灵活更强、适应性更强的传感器技术得到迅猛发展。虽然柔性应变传感器的未来前景非常令人期待，但随着材料科学和纳米技术的进步，该传感器的性能仍需不断提升，其中包括更高的灵敏度、更广泛的应用领域和更好的耐久性。
目前，为了使柔性应变传感器可以实现多模态检测，测量多种物理量，如应变、压力、温度和湿度，并在不同场景中可以非常灵活进行应用；同时，柔性传感器的材料轻便、轻巧且易于集成到各种设备和系统中，使其能够适应各种环境下的各种不同形状和曲线表面。尤其，柔性应变传感器的精准度是其引人瞩目的特点之一，柔性应变传感器能够检测微小的应变。面对当前市场迫切的需求挑战，现亟需从其本身结构以及材料选择方面重新设计，方能与人工智能和物联网的结合将使柔性传感器在智能系统中发挥更大的作用。
实用新型内容
针对背景技术中现有柔性应变传感器发展中面临的挑战，为了解决上述现有技术的缺点，我们通过激光刻蚀工艺构建了蛇形电极结构，然后通过热压工艺实现了传感器层级间的良好键合封装制备成高拉伸性、高精度的柔性应变传感器。基于此制备工艺，本实用新型提供了一种高拉伸性、高精度的蛇形电极结构的柔性应变传感器。
为达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种高拉伸性、高精度传蛇形电极结构的柔性应变传感器，包括有顶部封装层和底部封装层，所述顶部封装层与底部封装层均采用硅胶弹性体薄膜制成，上键合层与下键合层通过热压工艺将蛇形电极层键合在两者之间，所述上键合层与下键合层分别通过热压工艺与所述顶部封装层、底部封装层键合连接并进行封装，所述上键合层与下键合层均采用热塑性聚氨酯弹性体薄膜制成，所述蛇形电极层通过激光刻蚀工艺将导电性的刚性金属材料构建成蛇形电极结构，所述蛇形电极层的两端外连接导线。
作为上述技术方案的进一步补充说明，所述蛇形电极层的长度为17.5mm、宽度为0.8mm、外径为2.85mm、内径为1.55mm。
作为上述技术方案的进一步补充说明，所述硅胶弹性体薄膜的厚度为100μm—1000μm，此范围厚度的硅胶弹性体薄膜作为封装层，具有良好的回弹性和耐拉伸性。
作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述蛇形电极层采用康铜电极材料激光刻蚀而成。
作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述顶部封装层与底部封装层的厚度均为500μm。
作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述蛇形电极层的厚度为10μm。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1、本实用新型采用具有良好回弹性和耐拉伸性的硅胶弹性体薄膜作为顶部与底部封装层，同时选取高弹热塑性聚氨酯弹性体薄膜作为上、下键合层实现蛇形电极层的封装。蛇形电极层为该传感器的核心层，选用厚度为10μm的康铜电极材料刻蚀而成，既保持了良好导电性，又可以实现了刚性金属材料的高拉伸性，即50%的拉伸应变下可保持一个良好且稳定的导电性能。因此，本蛇形电极结构的柔性应变传感器能够在上电静态情况下保持一个低于1kΩ的电阻跳动的良好稳定性。
2、本实用新型设计的蛇形电极结构的柔性应变传感器，其应变范围可以达到100%，同时在其应变范围内精度可以达到2.4%，经过疲劳测试后传感器线性度依旧高达99.5%。
3、本实用新型基于优越的实验性能，可以检测微小的应变，满足测量精度更高的要求。该柔性应变传感器作为电子皮肤在机器人技术中用于实现柔性手指和感知皮肤，使机器人能够更好地与环境和人类互动。此外，该柔性应变传感器还可用于监测建筑结构、桥梁和飞机翼的应变，以提高安全性和性能。具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为本实用新型中柔性应变传感器的结构示意图。
图中：顶部封装层为1，底部封装层为2，上键合层为3，下键合层为4，蛇形电极层为5，接导线为6。
具体实施方式
为了进一步阐述本实用新型的技术方案，下面通过实施例对本实用新型进行进一步说明。
如附图1所示，一种高拉伸性、高精度的蛇形电极结构的柔性应变传感器，包括有顶部封装层1、底部封装层2、上键合层3、下键合层4以及蛇形电极层。所述顶部封装层1与底部封装层2均采用硅胶弹性体薄膜制成，所述上键合层3与下键合层4均采用热塑性聚氨酯弹性体薄膜制成，所述蛇形电极层5采用厚度为10μm的康铜电极材料激光刻蚀而成。上键合层3与下键合层4通过热压工艺将蛇形电极层5键合在两者之间，所述上键合层3与下键合层4分别通过热压工艺与所述顶部封装层1、底部封装层2键合连接并进行封装，所述蛇形电极层5通过激光刻蚀工艺将导电性的刚性金属材料构建成蛇形电极结构，其中蛇形电极层5的长度为17.5mm、宽度为0.8mm、外径为2.85mm、内径为1.55mm，并在蛇形电极层5的两端外连接导线6。
作为上述实施例的优选实施方式，所述硅胶弹性体薄膜的厚度为100μm—1000μm，此范围厚度的硅胶弹性体薄膜作为封装层，具有良好的回弹性和耐拉伸性。经过力学性能测试，厚度越大，越具有良好的回弹性和耐拉伸性，因此，顶部封装层1与底部封装层2所采用硅胶弹性体薄膜的厚度均为500μm。
蛇形电极结构的柔性应变传感器的制备过程：（1）对高弹热塑性聚氨酯弹性体薄膜和上述封装层硅胶弹性体薄膜进行PLASMA等离子体处理后，经过热压仪器热压，实现键合层薄膜与封装层硅胶弹性体薄膜紧密的键合，从而免受外界气液环境的干扰，提升传感器的稳定性和可靠性。（2）蛇形电极层5，用双面胶带将厚度为10μm的康铜金属材料固定在一层聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上，经过激光刻蚀后得到蛇形电极，之后将其置于下键合层—底部封装层表面，再由顶部封装层—上键合层覆盖，经过热压仪器热压实现融化键合，保证薄膜层间的紧密粘黏，冷却后得到所述的柔性应变传感器。
我们通过对柔性应变传感器50%拉伸测试，由此证明所制备的应变传感器具有超高的拉伸性，同时也证明了传感器蛇形电极结构的可行性和选择封装层硅胶弹性体薄膜材料、键合层热塑性聚氨酯弹性体薄膜材料的合理性。
在本实验中，我们采用力学试验拉伸机对应变传感器进行0—50%阶梯式拉伸与放缩，所得的数据再经过Origin处理，拟合出柔性应变传感器精度图，从图中可以看出其精度高达2.4%，体现了本发明应变传感器的高稳定性和可靠性。
在本实验中，我们采用力学试验拉伸机对应变传感器进行0—30%循环拉伸，再经过Origin处理，可以看出应变传感器在0—30%的应变范围之内，具有较高的线性度，可达到99.5%。
本实用新型采用蛇形电极结构的设计有效地实现了刚性金属材料的可拉伸性，极大地开拓了金属材料作为柔性应变传感器电极的可行性；键合层采用高弹塑性聚氨酯弹性体薄膜，保证了传感器的高拉伸性，同时实现对电极的保护，从而提高了应变传感器的稳定性和可靠性，封装层采用硅胶弹性体薄膜，与键合层采用热压方式键合，紧密的结合实现了传感器整体的柔性封装，体现了其在医疗健康检测、与航天航空、船舶海洋等领域巨大的潜力。
以上显示和描述了本实用新型的主要特征和优点，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型的具体实施方式并不仅限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型的创造思想和设计思路，应当等同属于本实用新型技术方案中所公开的保护范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种高拉伸性、高精度的蛇形电极结构的柔性应变传感器，包括有顶部封装层（1）和底部封装层（2），其特征在于：所述顶部封装层（1）与底部封装层（2）均采用硅胶弹性体薄膜制成，上键合层（3）与下键合层（4）通过热压工艺将蛇形电极层（5）键合在两者之间，所述上键合层（3）与下键合层（4）分别通过热压工艺与所述顶部封装层（1）、底部封装层（2）键合连接并进行封装，所述上键合层（3）与下键合层（4）均采用热塑性聚氨酯弹性体薄膜制成，所述蛇形电极层（5）通过激光刻蚀工艺将导电性的刚性金属材料构建成蛇形电极结构，所述蛇形电极层（5）的两端外连接导线（6）。
2.根据权利要求1所述的一种高拉伸性、高精度的蛇形电极结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述蛇形电极层（5）的长度为17.5mm、宽度为0.8mm、外径为2.85mm、内径为1.55mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种高拉伸性、高精度的蛇形电极结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述硅胶弹性体薄膜的厚度为100μm—1000μm，此范围厚度的硅胶弹性体薄膜作为封装层，具有良好的回弹性和耐拉伸性。
4.根据权利要求3所述的一种高拉伸性、高精度的蛇形电极结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述蛇形电极层（5）采用康铜电极材料激光刻蚀而成。
5.根据权利要求4所述的一种高拉伸性、高精度的蛇形电极结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述顶部封装层（1）与底部封装层（2）的厚度均为500μm。
6.根据权利要求4或5所述的一种高拉伸性、高精度的蛇形电极结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述蛇形电极层（5）的厚度为10μm。
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