JP2020180872A - Strain sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、歪センサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a strain sensor and a method for manufacturing the same.
人の動き、構造物の動き、ロボットの動きなどをモニタリングする歪センサが注目されている。動きをモニタリングする歪センサには、人、構造物、ロボットなどの動きを阻害しないこと、人、構造物、ロボットなどが動くことによって歪センサが壊れないこと、センサ特性が安定していることなどが求められる。このため、モニタリング用の歪センサには伸縮性が求められる。
グラフェン層の電気抵抗の変化を利用した歪センサが知られている（例えば、非特許文献１、２参照）。
引用文献１は、レーザー照射によりポリイミドフィルムの表面に形成したグラフェン層を有する歪センサを開示している。引用文献２は、伸縮性のあるシリコーンゴムの表面上にグラフェン層を形成した歪センサを開示している。
Strain sensors that monitor the movement of people, the movement of structures, the movement of robots, etc. are attracting attention. Distortion sensors that monitor movement include that they do not interfere with the movement of people, structures, robots, etc., that the strain sensor does not break due to the movement of people, structures, robots, etc., and that the sensor characteristics are stable. Is required. Therefore, the strain sensor for monitoring is required to have elasticity.
Strain sensors that utilize changes in the electrical resistance of the graphene layer are known (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
Cited Document 1 discloses a strain sensor having a graphene layer formed on the surface of a polyimide film by laser irradiation. Cited Document 2 discloses a strain sensor in which a graphene layer is formed on the surface of elastic silicone rubber.
ポリイミドフィルムの表面上にグラフェン層を形成した歪センサでは、ポリイミドフィルムが十分な伸縮性を有していないため、人、構造物、ロボットなどの動きをモニタリングする際に歪センサが人、構造物、ロボットなどの動きを阻害する場合がある。
シリコーンゴムの表面上にグラフェン層を形成した歪センサでは、ゴム弾性を有するシリコーンゴムが大きく伸びるとグラフェン層に過大な歪みが生じセンサ特性が不安定になる場合がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、人、構造物、ロボットなどの動きを阻害することなくモニタリングすることができ、かつ、センサ特性が不安定になることを抑制することができる歪センサを提供する。
In the strain sensor in which the graphene layer is formed on the surface of the polyimide film, the polyimide film does not have sufficient elasticity, so that the strain sensor is used when monitoring the movement of a person, a structure, a robot, etc. , It may hinder the movement of robots.
In a strain sensor in which a graphene layer is formed on the surface of silicone rubber, if the silicone rubber having rubber elasticity is greatly stretched, the graphene layer may be excessively strained and the sensor characteristics may become unstable.
The present invention has been made in view of such circumstances, and can monitor the movements of people, structures, robots, etc. without obstructing them, and suppresses instability of sensor characteristics. Provide a strain sensor that can.
本発明は、ポリイミドフィルムと、前記ポリイミドフィルム上に積層されたグラフェン層とを含む積層フィルムを備え、前記積層フィルムは、切れ目を有し、かつ、前記切れ目の形が変わるように前記積層フィルムが変形することにより前記積層フィルムが伸縮する伸縮構造を有することを特徴とする歪センサを提供する。 The present invention comprises a laminated film including a polyimide film and a graphene layer laminated on the polyimide film, and the laminated film has a cut and the laminated film has a cut shape so as to change the shape of the cut. Provided is a strain sensor characterized by having an elastic structure in which the laminated film expands and contracts when deformed.
本発明の歪センサはポリイミドフィルム上に積層されたグラフェン層を含むため、グラフェン層の電気抵抗の変化に基づき歪みを検出することができる。
本発明の歪センサに含まれる積層フィルムは伸縮構造を有する。このため、人、構造物、ロボットなどの動きに合わせて歪センサを伸縮させることができ、グラフェン層の電気抵抗を変化させることができる。このため、人、構造物、ロボットなどの動きを阻害することなく人、構造物、ロボットなどの動きをモニタリングすることができる。
本発明の歪センサの伸縮構造は、切れ目の形が変わるように積層フィルムが変形することにより積層フィルムが伸縮する構造（切り紙構造）である。このため、伸張条件下において、過大な歪みがグラフェン層に生じることを抑制することができ、感度及び伸縮性を犠牲にすることなくセンサ特性の安定性を向上させることができる。
Since the strain sensor of the present invention includes a graphene layer laminated on the polyimide film, strain can be detected based on a change in the electrical resistance of the graphene layer.
The laminated film included in the strain sensor of the present invention has an elastic structure. Therefore, the strain sensor can be expanded and contracted according to the movement of a person, a structure, a robot, or the like, and the electrical resistance of the graphene layer can be changed. Therefore, the movements of people, structures, robots, etc. can be monitored without hindering the movements of people, structures, robots, and the like.
The stretchable structure of the strain sensor of the present invention is a structure (cut paper structure) in which the laminated film expands and contracts by deforming the laminated film so that the shape of the cut changes. Therefore, under stretching conditions, it is possible to suppress the occurrence of excessive strain in the graphene layer, and it is possible to improve the stability of the sensor characteristics without sacrificing sensitivity and stretchability.
本発明の歪センサは、ポリイミドフィルムと、前記ポリイミドフィルム上に積層されたグラフェン層とを含む積層フィルムを備え、前記積層フィルムは、切れ目を有し、かつ、前記切れ目の形が変わるように前記積層フィルムが変形することにより前記積層フィルムが伸縮する伸縮構造を有することを特徴とする。 The strain sensor of the present invention includes a laminated film containing a polyimide film and a graphene layer laminated on the polyimide film, and the laminated film has a cut and the shape of the cut is changed. It is characterized by having an elastic structure in which the laminated film expands and contracts when the laminated film is deformed.
前記グラフェン層は、ポリイミドフィルムの炭化層であることが好ましい。このことにより、ポリイミドフィルムを炭化することによりグラフェン層を形成することができ、歪センサの製造コストを低減することができる。
前記積層フィルムの厚さは、０．１μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。このことにより、人、構造物、ロボットなどの動きを阻害することなく人、構造物、ロボットなどの動きをモニタリングすることができる。
本発明の歪センサは保護層を備えることが好ましく、保護層はグラフェン層を覆うように設けられることが好ましい。このことにより、グラフェンがグラフェン層から剥離することを防止することができ、歪センサのセンサ特性を安定化することができる。
The graphene layer is preferably a carbonized layer of a polyimide film. As a result, the graphene layer can be formed by carbonizing the polyimide film, and the manufacturing cost of the strain sensor can be reduced.
The thickness of the laminated film is preferably 0.1 μm or more and 500 μm or less. This makes it possible to monitor the movements of people, structures, robots, etc. without hindering the movements of people, structures, robots, and the like.
The strain sensor of the present invention preferably includes a protective layer, and the protective layer is preferably provided so as to cover the graphene layer. As a result, it is possible to prevent graphene from peeling from the graphene layer, and it is possible to stabilize the sensor characteristics of the strain sensor.
本発明は、本発明の歪センサの製造方法であって、ポリイミドフィルムにレーザー光を照射することによりポリイミドフィルムの一部を炭化しグラフェン層を形成するレーザー照射工程を含む製造方法も提供する。
前記レーザー照射工程において、ポリイミドフィルムにレーザー光を照射することにより前記切れ目を形成することが好ましい。
The present invention also provides a method for manufacturing a strain sensor of the present invention, which includes a laser irradiation step of irradiating a polyimide film with laser light to carbonize a part of the polyimide film to form a graphene layer.
In the laser irradiation step, it is preferable to form the cut by irradiating the polyimide film with laser light.
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description.
図１（ａ）は本実施形態の歪センサの概略上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の破線Ａ−Ａにおける歪センサの概略断面図である。図２（ａ）は本実施形態の歪センサの概略上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の破線Ｂ−Ｂにおける歪センサの概略断面図である。図３、図４はそれぞれ本実施形態の歪センサの概略上面図である。図５（ａ）（ｂ）はそれぞれ本実施形態の歪センサの概略断面図である。図６（ａ）〜（ｅ）は本実施形態の歪センサの製造工程の説明図である。
本実施形態の歪センサ２０は、ポリイミドフィルム２と、ポリイミドフィルム２上に積層されたグラフェン層３とを含む積層フィルム４を備え、積層フィルム４は、切れ目５を有し、かつ、切れ目５の形が変わるように積層フィルム４が変形することにより積層フィルム４が伸縮する伸縮構造を有することを特徴とする。
また、本実施形態の歪センサ２０は、保護層６、第１電極７又は第２電極８を備えてもよい。
FIG. 1A is a schematic top view of the strain sensor of the present embodiment, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the strain sensor in the broken line AA of FIG. 1A. FIG. 2A is a schematic top view of the strain sensor of the present embodiment, and FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of the strain sensor in the broken line BB of FIG. 2A. 3 and 4 are schematic top views of the strain sensor of the present embodiment, respectively. 5 (a) and 5 (b) are schematic cross-sectional views of the strain sensor of the present embodiment, respectively. 6 (a) to 6 (e) are explanatory views of the manufacturing process of the strain sensor of the present embodiment.
The strain sensor 20 of the present embodiment includes a laminated film 4 including a polyimide film 2 and a graphene layer 3 laminated on the polyimide film 2, and the laminated film 4 has a cut 5 and has a cut 5. It is characterized by having an elastic structure in which the laminated film 4 expands and contracts when the laminated film 4 is deformed so as to change its shape.
Further, the strain sensor 20 of the present embodiment may include a protective layer 6, a first electrode 7, or a second electrode 8.
歪センサ２０は、人の動き（例えば、関節の曲げ伸ばし、呼吸に伴う胸部や腹部の膨張・収縮、脈動に伴う血管の膨張・収縮など）、構造物の動き、ロボットの動きなどをモニタリングするための歪センサであり、歪センサ２０を人、構造物、ロボットなどに装着して使用する。歪センサ２０により人の動きを検出する場合、歪センサ２０を皮膚上に取り付けてもよく、取り付け具で歪センサ２０を人が装着してもよく、歪センサ２０を衣類に取り付けてもよい。
歪センサ２０は伸縮構造を有するため、人、構造物、ロボットなどの動きをモニタリングする際に歪センサ２０が人、構造物、ロボットなどの動きを阻害することを抑制することができる。また、歪センサ２０が人、構造物、ロボットなどの動きにより壊れることを抑制することができる。また、歪センサ２０は、伸縮性歪センサであってもよい。
The strain sensor 20 monitors human movements (for example, bending and stretching of joints, expansion / contraction of chest and abdomen due to breathing, expansion / contraction of blood vessels due to pulsation, etc.), movement of structures, movement of robots, and the like. This is a strain sensor for this purpose, and the strain sensor 20 is attached to a person, a structure, a robot, or the like for use. When the strain sensor 20 detects the movement of a person, the strain sensor 20 may be mounted on the skin, the strain sensor 20 may be worn by a person with an attachment, or the strain sensor 20 may be mounted on clothing.
Since the strain sensor 20 has a telescopic structure, it is possible to prevent the strain sensor 20 from obstructing the movement of a person, a structure, a robot, etc. when monitoring the movement of a person, a structure, a robot, or the like. Further, it is possible to prevent the strain sensor 20 from being broken by the movement of a person, a structure, a robot, or the like. Further, the strain sensor 20 may be a stretchable strain sensor.
ポリイミドフィルム２は、ポリイミド製のフィルムである。ポリイミドフィルム２の厚さは例えば１μｍ以上５００μｍ以下である。ポリイミドフィルム２は、グラフェン層３と共に積層フィルム４を構成する。また、ポリイミドフィルム２は、グラフェン層３の基材となる。ポリイミドフィルム２はゴム弾性を有さないため、グラフェン層３に過度の歪が生じること抑制することができる。 The polyimide film 2 is a film made of polyimide. The thickness of the polyimide film 2 is, for example, 1 μm or more and 500 μm or less. The polyimide film 2 constitutes the laminated film 4 together with the graphene layer 3. Further, the polyimide film 2 serves as a base material for the graphene layer 3. Since the polyimide film 2 does not have rubber elasticity, it is possible to prevent excessive strain from occurring in the graphene layer 3.
グラフェン層３は、多数のグラフェンを含む層であり、隣接する２つのグラフェンはファンデルワールス力により結合している。グラフェン層３に歪みが生じると、ピエゾ抵抗効果によりグラフェン層３の電気抵抗が変化する。このため、グラフェン層３の電気抵抗の変化からグラフェン層３に歪みが生じたことを検出することができる。グラフェン層３の厚みは、例えば、０．１μｍ以上３００μｍ以下とすることができる。また、グラフェン層３は、ポリイミドフィルム２に接触するように設けることができる。また、グラフェン層３は、ポリイミドフィルム２の炭化層とすることができる。ポリイミドフィルム２とグラフェン層３とが積層した積層フィルム４の厚さは、例えば、１０μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。 The graphene layer 3 is a layer containing a large number of graphenes, and two adjacent graphenes are connected by a van der Waals force. When the graphene layer 3 is distorted, the electrical resistance of the graphene layer 3 changes due to the piezoresistive effect. Therefore, it is possible to detect that the graphene layer 3 is distorted from the change in the electrical resistance of the graphene layer 3. The thickness of the graphene layer 3 can be, for example, 0.1 μm or more and 300 μm or less. Further, the graphene layer 3 can be provided so as to be in contact with the polyimide film 2. Further, the graphene layer 3 can be a carbonized layer of the polyimide film 2. The thickness of the laminated film 4 in which the polyimide film 2 and the graphene layer 3 are laminated can be, for example, 10 μm or more and 500 μm or less.
グラフェン層３は、ポリイミドフィルム２にレーザー光を照射することによりポリイミドフィルム２の一部を焼成し炭化することにより形成することができる。例えば、図６（ａ）（ｂ）に示した断面図のようにポリイミドフィルム２にレーザー光を走査させながら照射してグラフェン層３を形成することができる。このことにより、ポリイミドフィルム２の表面の所望の領域にグラフェン層３を形成することができる。グラフェン層３の形成に用いるレーザーは、例えば、ＣＯ2レーザー、ファイバーレーザー、ＹＡＧレーザー、ＹＶＯ4レーザーなどである。また、レーザー出力、走査速度などを調節することにより、グラフェン層３の厚み及びグラフェン層３の下部に残すポリイミドフィルム２の厚みを調節することができる。 The graphene layer 3 can be formed by firing a part of the polyimide film 2 by irradiating the polyimide film 2 with laser light and carbonizing it. For example, the graphene layer 3 can be formed by irradiating the polyimide film 2 while scanning the laser beam as shown in the cross-sectional views shown in FIGS. 6A and 6B. As a result, the graphene layer 3 can be formed in a desired region on the surface of the polyimide film 2. The laser used for forming the graphene layer 3 is, for example, a CO 2 laser, a fiber laser, a YAG laser, a YVO 4 laser, or the like. Further, the thickness of the graphene layer 3 and the thickness of the polyimide film 2 left under the graphene layer 3 can be adjusted by adjusting the laser output, the scanning speed, and the like.
ポリイミドフィルム２とグラフェン層３とが積層された積層フィルム４は、積層フィルム４が伸縮するように設けられた切り紙構造（伸縮構造）を有する。この伸縮構造は、積層フィルム４の切れ目５の形が変わるように積層フィルム４が変形することにより積層フィルム４が伸縮する構造である。積層フィルム４が有する切れ目５の形状、数及び配置は、積層フィルム４が伸縮することができれば特に限定されない。積層フィルム４は、例えば、図１（ａ）（ｂ）に示した歪センサ２０のような複数の切れ目５を有することができる。この歪センサ２０を伸ばすような荷重を歪センサ２０に加えると、図２（ａ）（ｂ）に示した歪センサ２０のように、切れ目５の端に近接した部分において積層フィルム４が曲がり切れ目５の形状が変化して歪センサ２０が伸びる。この際、積層フィルム４は弾性変形する。このため、歪センサ２０に加えた荷重を弱めると、積層フィルム４は元の形に戻る。このように、積層フィルム４が切り紙構造を有することにより、歪センサ４が伸縮することができる。 The laminated film 4 in which the polyimide film 2 and the graphene layer 3 are laminated has a cut paper structure (stretchable structure) provided so that the laminated film 4 expands and contracts. This stretchable structure is a structure in which the laminated film 4 expands and contracts by deforming the laminated film 4 so that the shape of the cut 5 of the laminated film 4 changes. The shape, number, and arrangement of the cuts 5 of the laminated film 4 are not particularly limited as long as the laminated film 4 can expand and contract. The laminated film 4 can have a plurality of cuts 5 such as the strain sensor 20 shown in FIGS. 1A and 1B. When a load that stretches the strain sensor 20 is applied to the strain sensor 20, the laminated film 4 bends at a portion close to the end of the cut 5 as in the strain sensor 20 shown in FIGS. 2A and 2B. The shape of 5 changes and the strain sensor 20 extends. At this time, the laminated film 4 is elastically deformed. Therefore, when the load applied to the strain sensor 20 is weakened, the laminated film 4 returns to its original shape. As described above, the strain sensor 4 can be expanded and contracted because the laminated film 4 has a paper-cutting structure.
切れ目５の端に近接した部分において積層フィルム４が弾性変形すると、グラフェン層３に歪みが生じ、グラフェン層３の電気抵抗が変化する。この電気抵抗をモニタリングすることにより、歪センサ４の伸縮を検出することができる。
切れ目５は、例えば、図６（ｂ）（ｃ）のようにポリイミドフィルム２にレーザー光を照射することにより形成することができる。例えば、グラフェン層３を形成する部分にレーザー光を照射する場合、レーザー光の出力を小さくし又は走査速度を速くし、切れ目５を形成する部分にレーザー光を照射する場合、レーザー光の出力を大きくし又は走査速度を遅くすることができる。このようにして、グラフェン層３の形成と切れ目５の形成を同じ工程で行うことが可能になる。また、グラフェン層３の形成と切れ目５の形成を別々の工程で行ってもよい。また、切れ目５は、金型を用いる穴抜き加工により形成してもよい。
When the laminated film 4 is elastically deformed at a portion close to the end of the cut 5, the graphene layer 3 is distorted and the electrical resistance of the graphene layer 3 changes. By monitoring this electrical resistance, the expansion and contraction of the strain sensor 4 can be detected.
The cut 5 can be formed, for example, by irradiating the polyimide film 2 with a laser beam as shown in FIGS. 6 (b) and 6 (c). For example, when irradiating a portion forming the graphene layer 3 with a laser beam, the output of the laser beam is reduced or the scanning speed is increased, and when the portion forming the cut 5 is irradiated with the laser beam, the output of the laser beam is increased. It can be increased or the scanning speed can be reduced. In this way, the formation of the graphene layer 3 and the formation of the cut 5 can be performed in the same process. Further, the graphene layer 3 and the cut 5 may be formed in separate steps. Further, the cut 5 may be formed by drilling using a mold.
第１電極７及び第２電極８は、グラフェン層３と配線とを接続する電極である。また、第１電極７及び第２電極８は、積層フィルム４の伸縮構造を構成するグラフェン層３の電気抵抗を測定することができるように設けられる。例えば、図１、図２に示した歪センサ２０のように、第１電極７と第２電極８との間に伸縮構造が位置するように第１電極７と第２電極８とを設けることができる。また、第１電極７又は第２電極８は、伸縮構造を横断するように設けることができる。このことにより、第１電極７の端子部と第２電極８の端子部を近接して配置することが可能になり、測定部（例えば、電源部、電流計など）と、第１電極７及び第２電極８との配線接続をシンプルにすることができる。例えば、図３に示した歪センサ２０のように、第２電極８を設けることができる。測定部は、グラフェン層３の電気抵抗の変化をモニタリングできるように設けられる。 The first electrode 7 and the second electrode 8 are electrodes that connect the graphene layer 3 and the wiring. Further, the first electrode 7 and the second electrode 8 are provided so that the electrical resistance of the graphene layer 3 constituting the stretchable structure of the laminated film 4 can be measured. For example, as in the strain sensor 20 shown in FIGS. 1 and 2, the first electrode 7 and the second electrode 8 are provided so that the telescopic structure is located between the first electrode 7 and the second electrode 8. Can be done. Further, the first electrode 7 or the second electrode 8 can be provided so as to cross the telescopic structure. As a result, the terminal portion of the first electrode 7 and the terminal portion of the second electrode 8 can be arranged close to each other, and the measuring unit (for example, the power supply unit, the ammeter, etc.), the first electrode 7, and the first electrode 8 The wiring connection with the second electrode 8 can be simplified. For example, the second electrode 8 can be provided as in the strain sensor 20 shown in FIG. The measuring unit is provided so that the change in the electrical resistance of the graphene layer 3 can be monitored.
伸縮構造に二列のグラフェン層３を設け、一方の端において二列のグラフェン層３を電気的に接続し、他方の端に第１電極７及び第２電極８を配置することができる。このことにより、第１電極７の端子部と第２電極８の端子部を近接して配置することが可能になり、測定部（例えば、電源部、電流計など）と、第１電極７及び第２電極８との配線接続をシンプルにすることができる。例えば、図４に示した歪センサ２０のように、グラフェン層３、第１電極７及び第２電極８を設けることができる。
グラフェン層３の電気抵抗は、第１電極７及び第２電極８に接続した測定部を用いてモニタリングすることができる。
第１電極７及び第２電極８は、例えば、図６（ｄ）のようにグラフェン層３の上に形成することができる。第１電極７及び第２電極８は、例えば、銀ペーストをグラフェン層３上に塗布又は印刷することにより形成することができる。
Two rows of graphene layers 3 can be provided in the telescopic structure, the two rows of graphene layers 3 can be electrically connected at one end, and the first electrode 7 and the second electrode 8 can be arranged at the other end. As a result, the terminal portion of the first electrode 7 and the terminal portion of the second electrode 8 can be arranged close to each other, and the measuring unit (for example, the power supply unit, the ammeter, etc.), the first electrode 7, and the first electrode 8 The wiring connection with the second electrode 8 can be simplified. For example, as in the strain sensor 20 shown in FIG. 4, the graphene layer 3, the first electrode 7, and the second electrode 8 can be provided.
The electrical resistance of the graphene layer 3 can be monitored by using a measuring unit connected to the first electrode 7 and the second electrode 8.
The first electrode 7 and the second electrode 8 can be formed on the graphene layer 3 as shown in FIG. 6D, for example. The first electrode 7 and the second electrode 8 can be formed, for example, by applying or printing a silver paste on the graphene layer 3.
保護層６は、グラフェン層３を保護する層である。保護層６は、グラフェン層３を覆うように設けることができる。グラフェン層３は、ファンデルワールス力により結合している多数のグラフェンを含むため、グラフェンがグラフェン層から剥がれ、グラフェン層３に含まれるグラフェンの量が減少する場合がある。保護層６を設けることにより、グラフェン層３からグラフェンが剥がれることを防止することができ、グラフェン層３の導電特性を安定化することができる。保護層６は、例えば、シリコーンゴム層などのゴム層とすることができる。このことにより、グラフェン層３を保護することができると共に、保護層６が積層フィルム４の伸縮を阻害することを抑制することができる。 The protective layer 6 is a layer that protects the graphene layer 3. The protective layer 6 can be provided so as to cover the graphene layer 3. Since the graphene layer 3 contains a large number of graphenes bound by van der Waals force, the graphene may be peeled off from the graphene layer and the amount of graphene contained in the graphene layer 3 may be reduced. By providing the protective layer 6, it is possible to prevent the graphene from peeling off from the graphene layer 3, and it is possible to stabilize the conductive characteristics of the graphene layer 3. The protective layer 6 can be, for example, a rubber layer such as a silicone rubber layer. As a result, the graphene layer 3 can be protected, and the protective layer 6 can be prevented from inhibiting the expansion and contraction of the laminated film 4.
保護層６は、例えば、図５（ａ）（ｂ）に示した歪センサ２０のように、保護層６がグラフェン層３の表面を覆うように設けることができる。また、保護層６は、図５（ａ）のように切り目５を塞がないように設けてもよい。このことにより、歪センサ２０が優れた伸縮性を有することができる。また、保護層６は、図５（ｂ）のように切り目５を塞ぐように設けてもよい。このことにより、歪センサ２０の表面を滑らかにすることができ、歪センサ２０が直接肌に触れる用途などに有用である。
保護層６は、例えば、図６（ｅ）のように液状シリコーンゴムでポリイミドフィルム２、グラフェン層３、第１電極７及び第２電極８をコーティングすることにより形成することができる。
The protective layer 6 can be provided so that the protective layer 6 covers the surface of the graphene layer 3, for example, as in the strain sensor 20 shown in FIGS. 5A and 5B. Further, the protective layer 6 may be provided so as not to block the cut 5 as shown in FIG. 5A. As a result, the strain sensor 20 can have excellent elasticity. Further, the protective layer 6 may be provided so as to close the cut 5 as shown in FIG. 5 (b). As a result, the surface of the strain sensor 20 can be smoothed, which is useful for applications where the strain sensor 20 comes into direct contact with the skin.
The protective layer 6 can be formed, for example, by coating the polyimide film 2, the graphene layer 3, the first electrode 7, and the second electrode 8 with liquid silicone rubber as shown in FIG. 6 (e).
グラフェン層形成実験
ポリイミドフィルム（厚さ１３０μｍ）にＣＯ2レーザー（レーザー出力：３Ｗ）を照射することによりグラフェン層を形成した。図７（ａ）は形成したグラフェン層の上面のＳＥＭ写真であり、図７（ｂ）はグラフェン層の断面のＳＥＭ写真である。図８は、形成したグラフェン層のラマンスペクトルである。図７に示したＳＥＭ写真からグラフェン層は多孔質層となっていることがわかった。また、図８に示したラマンスペクトルからグラフェンが欠陥を有することが示唆された。
Graphene layer formation experiment A graphene layer was formed by irradiating a polyimide film (thickness 130 μm) with a CO 2 laser (laser output: 3 W). FIG. 7A is an SEM photograph of the upper surface of the formed graphene layer, and FIG. 7B is an SEM photograph of a cross section of the graphene layer. FIG. 8 is a Raman spectrum of the formed graphene layer. From the SEM photograph shown in FIG. 7, it was found that the graphene layer was a porous layer. In addition, the Raman spectrum shown in FIG. 8 suggested that graphene had a defect.
歪センサ作製実験
図１、図２に示したような歪センサＡ〜Ｄを作製した。歪センサＡ、Ｃでは、２５μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて歪センサを作製し、歪センサＢ、Ｄでは、１３０μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて歪センサを作製した。グラフェン層及び切れ目はＣＯ2レーザー（レーザー出力：１．５Ｗ又は３Ｗ）を用いて形成し、第１電極及び第２電極は銀ペーストを印刷することにより形成した。また、歪センサＡ、Ｂは、図５（ｂ）のように、液状シリコーンゴムを用いて切れ目を塞ぐように保護層を形成した。歪センサＣ、Ｄは、図５（ａ）のように、液状シリコーンゴムを用いて切れ目が塞がれないように保護層を形成した。
図９（ａ）は、歪センサＡを３回伸縮させたときのグラフェン層の電気抵抗の変化率を示すグラフであり、図９（ｂ）は、歪センサＢを３回伸縮させたときのグラフェン層の電気抵抗の変化率を示すグラフである。図１０（ａ）は、歪センサＣを４回伸縮させたときのグラフェン層の電気抵抗の変化率を示すグラフであり、図１０（ｂ）は、歪センサＤを４回伸縮させたときのグラフェン層の電気抵抗の変化率を示すグラフである。
Strain sensor manufacturing experiment Strain sensors A to D as shown in FIGS. 1 and 2 were manufactured. For strain sensors A and C, a strain sensor was produced using a polyimide film having a thickness of 25 μm, and for strain sensors B and D, a strain sensor was produced using a polyimide film having a thickness of 130 μm. The graphene layer and cuts were formed using a CO 2 laser (laser output: 1.5 W or 3 W), and the first and second electrodes were formed by printing a silver paste. Further, in the strain sensors A and B, as shown in FIG. 5B, a protective layer was formed by using liquid silicone rubber so as to close the cut. As shown in FIG. 5A, the strain sensors C and D used liquid silicone rubber to form a protective layer so that the cuts were not closed.
FIG. 9A is a graph showing the rate of change in the electrical resistance of the graphene layer when the strain sensor A is expanded and contracted three times, and FIG. 9B is a graph when the strain sensor B is expanded and contracted three times. It is a graph which shows the rate of change of the electric resistance of a graphene layer. FIG. 10A is a graph showing the rate of change in the electrical resistance of the graphene layer when the strain sensor C is expanded and contracted four times, and FIG. 10B is a graph when the strain sensor D is expanded and contracted four times. It is a graph which shows the rate of change of the electric resistance of a graphene layer.
歪センサＡ〜Ｄの何れのセンサでも歪センサの伸縮を再現性よく検出することができた。
また、歪センサＢの電気抵抗の変化率は歪センサＡよりも大きく、歪センサＤの電気抵抗の変化率は歪センサＣよりも大きかった。これは、歪センサの厚みが厚いとグラフェン層により大きな歪みが生じていることを示している。歪センサに切り紙構造を伸張させるような荷重が加わっている場合、ポリイミドフィルムは切れ目の端の近辺において曲がる。ポリイミドフィルムが曲がると、フィルムの厚さと曲げ半径に応じた歪みがグラフェン層に生じる。この歪みεは、ε≒ d /2R（ｄはポリイミドフィルムの厚さ、Ｒは曲げ半径）で算出することができる。このため、歪センサＢ、Ｄの電気抵抗の変化率が大きくなったと考えられる。
With any of the strain sensors A to D, the expansion and contraction of the strain sensor could be detected with good reproducibility.
Further, the rate of change of the electric resistance of the strain sensor B was larger than that of the strain sensor A, and the rate of change of the electric resistance of the strain sensor D was larger than that of the strain sensor C. This indicates that when the strain sensor is thick, the graphene layer causes a large strain. When a load that stretches the cut paper structure is applied to the strain sensor, the polyimide film bends near the edge of the cut. When the polyimide film bends, distortion occurs in the graphene layer according to the film thickness and bending radius. This strain ε can be calculated by ε≈d / 2R (d is the thickness of the polyimide film and R is the bending radius). Therefore, it is considered that the rate of change in the electrical resistance of the strain sensors B and D has increased.
歪センサＣの電気抵抗変化率は歪センサＡの電気抵抗変化率よりも小さく、歪センサＤの電気抵抗変化率は歪センサＢの電気抵抗変化率よりも小さかった。このことからグラフェン層で生じる歪みに保護層が影響を与えていることがわかった。 The rate of change in electrical resistance of strain sensor C was smaller than the rate of change in electrical resistance of strain sensor A, and the rate of change in electrical resistance of strain sensor D was smaller than the rate of change in electrical resistance of strain sensor B. From this, it was found that the protective layer affects the strain generated in the graphene layer.
図１１は、歪センサＡ、Ｃを６００００回以上伸縮サイクルを繰り返したときのグラフェン層の電気抵抗の変化率を示したグラフである。歪センサＡ、Ｃを用いると６００００回以上伸縮を繰り返しても、安定して伸縮を検出することができることがわかった。 FIG. 11 is a graph showing the rate of change in the electrical resistance of the graphene layer when the strain sensors A and C are repeatedly expanded and contracted 60,000 times or more. It was found that when the strain sensors A and C are used, the expansion and contraction can be stably detected even if the expansion and contraction is repeated 60,000 times or more.
動作検出実験
図３に示したような歪センサＥ、Ｆを作製した。歪センサＥは２５μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて作製し、歪センサＦは１３０μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて作製した。グラフェン層及び切れ目はＣＯ2レーザー（レーザー出力：１．５Ｗ又は３Ｗ）を用いて形成し、第１電極及び第２電極は銀ペーストを塗布することにより形成した。また、歪センサＥでは、図５（ａ）に示した歪センサのように、液状シリコーンゴムを用いて切り目が塞がれないように保護層を形成した。歪センサＦでは、図５（ｂ）に示した歪センサのように、液状シリコーンゴムを用いて切り目が塞がれるように保護層を形成した。
Motion detection experiment Strain sensors E and F as shown in FIG. 3 were manufactured. The strain sensor E was manufactured using a polyimide film having a thickness of 25 μm, and the strain sensor F was manufactured using a polyimide film having a thickness of 130 μm. The graphene layer and the cut were formed by using a CO 2 laser (laser output: 1.5 W or 3 W), and the first electrode and the second electrode were formed by applying a silver paste. Further, in the strain sensor E, as in the strain sensor shown in FIG. 5A, a protective layer was formed by using a liquid silicone rubber so that the cut was not closed. In the strain sensor F, as in the strain sensor shown in FIG. 5 (b), a protective layer was formed by using a liquid silicone rubber so as to close the cut.
図１２に示した写真のように歪センサＥを肘に装着して肘の曲げ伸ばしを行い、歪センサＥを伸縮させた。この際のグラフェン層の電気抵抗の測定を行った。肘の曲げ伸ばしでは歪センサが大きく伸縮するため、歪センサＥは２５μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて作製し、切り目が塞がれないように保護層を形成した。
図１２に示したグラフのように、肘の角度を０度〜１３０度で変化させると、肘を大きく曲げるほど歪センサは伸張しグラフェン層の電気抵抗は大きくなった。また、肘の曲げ伸ばしを速く行うと、肘の曲げ伸ばしに応じてグラフェン層の電気抵抗は変化した。このように、歪センサＥを用いて肘の動作を検出することができた。
As shown in the photograph shown in FIG. 12, the strain sensor E was attached to the elbow to bend and stretch the elbow, and the strain sensor E was expanded and contracted. The electrical resistance of the graphene layer at this time was measured. Since the strain sensor expands and contracts greatly when the elbow is bent and stretched, the strain sensor E is made of a polyimide film having a thickness of 25 μm, and a protective layer is formed so that the cut is not blocked.
As shown in the graph shown in FIG. 12, when the elbow angle was changed from 0 degrees to 130 degrees, the strain sensor stretched as the elbow was bent greatly, and the electrical resistance of the graphene layer increased. Moreover, when the elbow was bent and stretched quickly, the electrical resistance of the graphene layer changed according to the bending and stretching of the elbow. In this way, the movement of the elbow could be detected using the strain sensor E.
図１３に示した写真のように歪センサＦを腹部に装着し、呼吸に伴う腹部の膨張・収縮で歪センサＦを伸縮させた。この際のグラフェン層の電気抵抗の測定を行った。
呼吸に伴う腹部の膨張・収縮は比較的小さい動きであるため、歪センサＦは１３０μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて作製し、切り目が塞がれるように保護層を形成した。
図１３に示したグラフのように、呼吸に伴いグラフェン層の電気抵抗は上下動し、腹部の膨張及び収縮を２時間以上安定して検出することができた。また、電気抵抗値の変化のピーク間距離から呼吸周期を算出した。このことから歪センサＦを用いると、呼吸周期を長期間安定してモニタリングすることができることがわかった。
As shown in the photograph shown in FIG. 13, the strain sensor F was attached to the abdomen, and the strain sensor F was expanded and contracted by the expansion and contraction of the abdomen accompanying breathing. The electrical resistance of the graphene layer at this time was measured.
Since the expansion and contraction of the abdomen with respiration is a relatively small movement, the strain sensor F was prepared using a polyimide film having a thickness of 130 μm, and a protective layer was formed so as to close the cut.
As shown in the graph shown in FIG. 13, the electrical resistance of the graphene layer fluctuated up and down with respiration, and the expansion and contraction of the abdomen could be stably detected for 2 hours or more. In addition, the respiratory cycle was calculated from the distance between peaks of changes in electrical resistance. From this, it was found that the respiratory cycle can be stably monitored for a long period of time by using the strain sensor F.
２：ポリイミドフィルム ３：グラフェン層 ４：積層フィルム ５：切れ目 ６：保護層 ７：第１電極 ８：第２電極 ２０：歪センサ 2: Polyimide film 3: Graphene layer 4: Laminated film 5: Cut 6: Protective layer 7: 1st electrode 8: 2nd electrode 20: Strain sensor
Claims (6)
前記積層フィルムは、切れ目を有し、かつ、前記切れ目の形が変わるように前記積層フィルムが変形することにより前記積層フィルムが伸縮する伸縮構造を有することを特徴とする歪センサ。 A laminated film including a polyimide film and a graphene layer laminated on the polyimide film is provided.
The strain sensor is characterized in that the laminated film has a cut and has a stretchable structure in which the laminated film expands and contracts when the laminated film is deformed so as to change the shape of the cut.
前記保護層は、前記グラフェン層を覆うように設けられた請求項１〜３のいずれか１つに記載の歪センサ。 With an additional layer of protection
The strain sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the protective layer is provided so as to cover the graphene layer.
ポリイミドフィルムにレーザー光を照射することにより前記ポリイミドフィルムの一部を炭化し前記グラフェン層を形成するレーザー照射工程を含む製造方法。 The method for manufacturing a strain sensor according to any one of claims 1 to 4.
A manufacturing method including a laser irradiation step of carbonizing a part of the polyimide film by irradiating the polyimide film with a laser beam to form the graphene layer.
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