JP6469484B2 - ひずみセンサ - Google Patents
ひずみセンサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP6469484B2 JP6469484B2 JP2015051307A JP2015051307A JP6469484B2 JP 6469484 B2 JP6469484 B2 JP 6469484B2 JP 2015051307 A JP2015051307 A JP 2015051307A JP 2015051307 A JP2015051307 A JP 2015051307A JP 6469484 B2 JP6469484 B2 JP 6469484B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- strain sensor
- convex
- strain
- cnt layer
- concavo
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 84
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 30
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 18
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 14
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 13
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 11
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 11
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 10
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 10
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 10
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 9
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 9
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 7
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- 229920000052 poly(p-xylylene) Polymers 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 4
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 4
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 4
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 4
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 244000043261 Hevea brasiliensis Species 0.000 description 1
- 229920006311 Urethane elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 239000003125 aqueous solvent Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229920003052 natural elastomer Polymers 0.000 description 1
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000006072 paste Substances 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 1
- 238000009751 slip forming Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005019 vapor deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Description
そこで、本発明は、広範囲のひずみを高感度に検出できるとともに、CNT層の剥離に対する耐性の高いひずみセンサを提供する。
上記発明によると、ひずみセンサの抵抗体部として、金属や半導体ではなくCNTを用いているので、高感度且つ広範囲なひずみ検出が可能となる。また、抵抗体部のうち基材部表面の凹凸形状部と当接する箇所が、その凹凸形状部と嵌合する形状となることで抵抗体部の剥離耐性を向上させるとともに、特に凸部分上に積層される膜厚の薄い抵抗体部が受けるひずみまたは応力を減少させることで、ひずみセンサに対して大きな伸縮動作や屈曲動作が印可されても、抵抗体部は、基材部に対して十分な剥離耐性を確保することが出来る。
上記発明によると基材部の凹凸形状部の形状に沿って、CNTを含む層の薄い部分と厚い部分とを備えた構造を呈するので、この場合抵抗体部が各箇所によって異なる電気抵抗をもつことによって、特に凸部分上に積層された抵抗体部はひずみに対する電気抵抗変化率の大きな領域(CNT層の薄い部分)を有することとなり、ひずみセンサに生じたひずみに対する感度を向上させることが可能となる。
上記発明によると、基材部に対する剥離耐性は、ひずみ印加方向に対して直交する方向に凹凸形状部を延設した場合に特に高くなる。
上記発明によると、凹部と凸部が格子状に配列された凹凸形状部では、凹凸形状部に形成される抵抗体部が平面方向の何れに対しても嵌合構造を有することとなるので、何れの方向にひずみが生じた場合であっても、抵抗体部が剥離することを防止することができる。
上記発明によると、この網目状の構造をもった抵抗体部では、CNT1本1本が絡み合って接触している接点箇所によって電気的に導通するので、ひずみが発生した場合に接点箇所に作用するトンネル効果により抵抗値が変化する。この抵抗値の変化量は、ひずみに対して指数関数的に増加する。そのため、CNT同士の接点の数(つまり、接点の個数を左右するCNT層の膜厚)を変化させることで、同じひずみ量の変化に対する抵抗変化率(感度)を調節することが可能になる。すなわち、本発明では、基材部に凹凸形状を設けることで基材部の凸部と嵌合する抵抗体部(CNT層)が薄く形成されるので、上記接点の数が少なくなり抵抗変化率を大きく出来るため、ひずみセンサの感度を高めることができる。また、本発明のCNT層に含まれるCNTは無配向性に配置されているため、特定の方向に配向したCNT層に対して垂直あるいは平行といった指向性を持たずに、あらゆる方向のひずみを検出することが可能である。
上記発明によると、導電性材料が添加された場合、抵抗体部の抵抗値が下がり、さらに、均一に分散されることで伸縮強度を高めることが可能である。
<第1実施形態>
本発明に係るひずみセンサ1は、例えば、図1(a)(b)に示すように、ユーザの手に装着されるグローブ型のウェアラブル装置100(データグローブ)や、搬送や組み立て作業等に用いられるロボットアーム200等に搭載される。そして、ひずみセンサ1は、例えば、当該ウェアラブル装置100やロボットアーム200の関節部分等に配設され、それら動作時における動作変位量や曲げ角度量といった情報をひずみとして検出可能なセンサである。
ひずみセンサ1は、図2に示すように、ベース材としての基材部2と、基材部2の表面上に形成された凹凸形状部4に嵌合するように積層されたCNT層3と、基材部2上に載置されCNT層3と電気的に接続された一対の電極部5と、CNT層3及び電極部5以外の基材部2の上面を覆う保護膜6から構成される。つまり、ひずみセンサ1は、厚み方向において、基材部2とCNT層3と保護膜6とで層構造を形成している。そして、ひずみセンサ1は、当該ひずみセンサ1に対して外力が印加された場合に、CNT層3に生じるひずみ量に応じた抵抗値変化を検出することで、ひずみ検出を行う。なお、以下では、図2(a)(b)に示すように、ひずみセンサ1の長手方向をx方向、幅方向をy方向、厚み方向をz方向、と便宜上定める。
CNT層3は、図2(a)(b)に示すように、例えば、一対の電極部5間をミアンダ状に接続するように基材部2の凹凸形状部4上へ積層される(一対の電極部5の底部を含む)。なお、CNT層3は、電極部5間を接続する形状であれば、ミアンダ状に限定されず、長さや幅等の適宜の変更が可能である。
これは、ひずみセンサ1の抵抗値を高くすると、駆動電圧に対するひずみセンサ1に流れる電流量を小さくすることができ、電流によるCNT層3の温度上昇や熱的影響を抑えるとともに電子機器に搭載した場合の消費電力を下げることが可能だからである。
次いで、本発明のCNTひずみセンサ1の動作原理について、図3と図4を用いて説明する。
CNTひずみセンサ1は、図3に示すように基材部2の表面に形成された凹凸形状部4の上に積層されたCNT層3が、外部からの伸縮や曲げによって発生するひずみを受けることでCNT31同士の接触状態が変化し、CNT層3の電気抵抗値の変化量からひずみ量を導出する。CNT層3に含まれるCNT31はランダムに配向し、互いに絡み合った網目状構造をもつ。したがって、本発明のひずみセンサ1は当該ひずみセンサ1に対して生じるランダムな方向のひずみを検出することができる。
次いで、ひずみセンサ1の製造工程について、図5の断面図を用いて説明する。ひずみセンサ1の製造工程は、基材部2の表面に凹凸形状部4を形成する工程(図5(a)〜(d))と、その凹凸形状部4上に抵抗体であるCNT層3と電極部5を積層させる工程(図5(e)〜(f))と、センサの上面に保護膜6を形成する工程(図5(g))とに大別される。
次に、第1実施形態に係るひずみセンサ1の変形例1について、説明する。
上記第1実施形態に係るひずみセンサ1の製造工程では、基材部2の材料としてポリイミド等の樹脂を用いた場合を例示したが、PDMSのようなより可撓性や伸縮性があるゴム材料を用いる場合は図6に示すような工程を用いて、基材部2の表面に凹凸形状部4を形成しても良い。
具体的には、まず、図6(a)に示すように、PDMS基材の母型となるシリコン基板400を用意する。
以上、本変形例1に係る製造工程により、基材部2がゴム材料からなるひずみセンサ1を得ることが出来る。
次に、第1実施形態に係るひずみセンサ1の変形例2について、説明する。
第1実施形態に係るひずみセンサ1において、凹凸形状部4の断面形状は図2(b)に示すような矩形状のものとしたが、図7(a)(b)に示すように基材部2の表面に三角形状や半円形状の凹部4bを連続的に形成したものとしても良い。また、凹凸形状部4は、図7(c)(d)に示すように、基材部2の表面に三角形状や半円形状の凸部4aを連続的に形成したものとしても良い。
なお、本発明に係るひずみセンサは、上記実施形態で説明したものに限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜の変更が可能である。
2・・・基材部
3、302・・・CNT層(抵抗体部)
4・・・凹凸形状部
4a・・・凸部
4b・・・凹部
5・・・電極部
6・・・保護膜
31・・・CNT
100・・・ウェアラブル装置
200・・・ロボットアーム
300・・・ポリイミドフィルム
301、401・・・ドライフィルムレジスト
303・・・炭素系導電性接着剤
304・・・パリレン膜
400・・・シリコン基板
402・・・PDMS
Claims (6)
- 可撓性を有し、少なくとも表面の一部に凹凸形状からなる凹凸形状部を有する基材部と、前記基材部の前記凹凸形状部を有する表面上に積層され、カーボンナノチューブを含んでなる抵抗体部と、を備え、
前記抵抗体部のうち前記凹凸形状部と当接する箇所は、当該凹凸形状部の凹凸形状に嵌合する形状からなることを特徴とするひずみセンサ。 - 前記抵抗体部は、前記凹凸形状部の凸部と当接する箇所が、前記凹凸形状部の凹部と当接する箇所よりも厚みが薄いことを特徴とする請求項1に記載のひずみセンサ。
- 前記凹凸形状部は、平面視で、ライン状に延設された凹部と凸部とが、ひずみ印加方向に対して所定の角度の方向に繰り返し交互に配列されてなることを特徴とする請求項1又は2に記載のひずみセンサ。
- 前記凹凸形状部は、平面視で、凹部と凸部とが交互に格子状に配列されてなることを特徴とする請求項1又は2に記載のひずみセンサ。
- 前記抵抗体部は、複数の前記カーボンナノチューブが無配向性の網目状に配置されることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のひずみセンサ。
- 前記抵抗体部は、前記カーボンナノチューブ以外の導電性材料が添加されることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載のひずみセンサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015051307A JP6469484B2 (ja) | 2015-03-13 | 2015-03-13 | ひずみセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015051307A JP6469484B2 (ja) | 2015-03-13 | 2015-03-13 | ひずみセンサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016170123A JP2016170123A (ja) | 2016-09-23 |
JP6469484B2 true JP6469484B2 (ja) | 2019-02-13 |
Family
ID=56983603
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015051307A Active JP6469484B2 (ja) | 2015-03-13 | 2015-03-13 | ひずみセンサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6469484B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11856691B2 (en) | 2021-02-26 | 2023-12-26 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Stretchable sensor and method of manufacturing the same and wearable device |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6704229B2 (ja) * | 2015-09-14 | 2020-06-03 | リンテック オブ アメリカ インコーポレーテッドLintec of America, Inc. | 柔軟性シート、熱伝導部材、導電性部材、帯電防止部材、発熱体、電磁波遮蔽体、及び柔軟性シートの製造方法 |
CN106643464B (zh) * | 2016-12-27 | 2019-02-22 | 北京航空航天大学 | 一种基于碳纳米管膜的复合材料各向应变监测方法 |
JP6939885B2 (ja) | 2017-08-10 | 2021-09-22 | 株式会社村田製作所 | ひずみセンサとその製造方法 |
CN107907044A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-04-13 | 武汉纺织大学 | 一种大量程高灵敏度柔性应变传感器及其制备方法 |
CN109631742B (zh) * | 2018-12-25 | 2020-10-02 | 东南大学 | 一种基于碳纳米管的柔性应变传感器及其制备方法 |
CN113063342B (zh) * | 2021-03-22 | 2022-06-07 | 华南理工大学 | 基于同种导电材料的柔性应变传感器及其制备方法 |
KR102682541B1 (ko) * | 2021-03-25 | 2024-07-08 | 한양대학교 산학협력단 | 정렬된 크랙 구조를 갖는 스트레인 게이지, 및 그 제조 방법 |
CN116628617B (zh) * | 2023-07-25 | 2023-09-22 | 值数科技(北京)有限公司 | 一种基于纳米复合材料实现微型应变监测的方法 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013134208A (ja) * | 2011-12-27 | 2013-07-08 | Nec Corp | カーボンナノチューブ含有感圧素子 |
EP2924406B1 (en) * | 2012-11-21 | 2017-12-20 | Sumitomo Riko Company Limited | Load sensor |
JP6142387B2 (ja) * | 2013-02-20 | 2017-06-07 | ヤマハ株式会社 | 歪みセンサ及びその製造方法 |
JP6168912B2 (ja) * | 2013-08-20 | 2017-07-26 | バンドー化学株式会社 | 伸縮性電極及びセンサシート |
US9618403B2 (en) * | 2013-10-02 | 2017-04-11 | Florida State University Research Foundation, Inc. | Strain sensors and methods of manufacture and use |
-
2015
- 2015-03-13 JP JP2015051307A patent/JP6469484B2/ja active Active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11856691B2 (en) | 2021-02-26 | 2023-12-26 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Stretchable sensor and method of manufacturing the same and wearable device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2016170123A (ja) | 2016-09-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6469484B2 (ja) | ひずみセンサ | |
Chen et al. | Recent developments in graphene‐based tactile sensors and E‐skins | |
Gao et al. | Microchannel structural design for a room-temperature liquid metal based super-stretchable sensor | |
Cho et al. | Three-dimensional continuous conductive nanostructure for highly sensitive and stretchable strain sensor | |
Amjadi et al. | Parallel microcracks-based ultrasensitive and highly stretchable strain sensors | |
JP5266889B2 (ja) | 光透過性導電体の製造方法 | |
Jeon et al. | Waterproof electronic-bandage with tunable sensitivity for wearable strain sensors | |
Sahatiya et al. | Eraser-based eco-friendly fabrication of a skin-like large-area matrix of flexible carbon nanotube strain and pressure sensors | |
Unarunotai et al. | Layer-by-layer transfer of multiple, large area sheets of graphene grown in multilayer stacks on a single SiC wafer | |
In et al. | Laser-assisted simultaneous transfer and patterning of vertically aligned carbon nanotube arrays on polymer substrates for flexible devices | |
JP2009278113A (ja) | 薄膜トランジスタ | |
KR101521694B1 (ko) | 플렉서블/스트레처블 투명도전성 필름 및 그 제조방법 | |
Ko et al. | Stretchable conductive adhesives with superior electrical stability as printable interconnects in washable textile electronics | |
TWI487033B (zh) | 製備奈米碳管薄膜及薄膜電晶體的方法 | |
US20180113152A1 (en) | Anisotropic conductive sheet, electrical inspection head, electrical inspection device, and method for manufacturing an anisotropic conductive sheet | |
JP6806328B2 (ja) | 電子装置 | |
KR101768675B1 (ko) | 하이브리드 기판과 신축성 전극을 이용한 신축성 패키지 및 그 제조방법 | |
Li et al. | Three-dimensional stretchable and transparent conductors with controllable strain-distribution based on template-assisted transfer printing | |
JP7388412B2 (ja) | 歪みセンサ素子の製造方法及び歪みセンサ素子 | |
JP2009055700A (ja) | 高分子アクチュエータおよびその製造方法 | |
KR101867156B1 (ko) | 유연 기판 구조물 및 이의 제조 방법 | |
KR101726516B1 (ko) | 촉각 센서 | |
Chou et al. | Large-sized out-of-plane stretchable electrodes based on poly-dimethylsiloxane substrate | |
JP6226262B2 (ja) | フレキシブル配線基板の実装構造及びその製造方法 | |
Graz et al. | Stretchable electrodes for highly flexible electronics |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20170913 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180110 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20181024 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20181030 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20181212 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190108 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190116 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6469484 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |