一种弹性应力分布传感阵列及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种弹性应力分布传感阵列。该传感阵列包括顶电极、底电极，以及位于顶电极和底电极之间的介质层；介质具有良好的变形能力，受到与其厚度方向平行的应力作用前后其电阻发生变化；顶电极与底电极分别具有导电性，位于介质层的上下表面，由若干相互平行且存间距的包含液态金属的弹性导电体构成，并且顶电极与底电极的弹性导电体形成一定夹角。该传感阵列结构简单，具有柔韧性，可探测复杂弯曲的表面，通过测量所述弹性应力分布传感阵列中的各区域受到与介质层厚度方向平行的应力作用前后，顶电极、介质层以及底电极之间的电阻变化，得到应力分布信息。

【技术实现步骤摘要】
一种弹性应力分布传感阵列及其制备方法
本专利技术涉及柔性电子技术和传感器
，特别是涉及一种弹性应力分布传感阵列及其制备方法。
技术介绍
随着柔性电子技术的发展，全球范围内对电子器件的柔性化要求越来越迫切。应用于应力分布测试的传感器在体育科学领域、医学应用领域均有广泛应用。例如在医学领域，可以通过对人体足底应力分布的分析进行骨科检测以及足部疾病的诊断，同时可对下肢损伤的病人进行康复评价。目前，市场上大部分检测应力分布的传感器具有刚性结构，其电极部分仍采用传统金属。在使用过程中，这种刚性结构可承受非常大的冲击力，但是无法拉伸、没有弹性，不仅使用舒适度低，而且无法对复杂弯曲的表面进行精确的应力探测。
技术实现思路
针对上述应力分布传感器的技术现状，本专利技术提供了一种弹性应力分布传感阵列，具有良好的弹性，可用于复杂弯曲的表面，能够精确探测应力的分布。本专利技术所采用的技术方案是：一种弹性应力分布传感阵列，包括顶电极、底电极，以及位于顶电极和底电极之间的介质层；介质层由绝缘的弹性材料A与导电材料混合固化而成，具有良好的变形能力，受到与其厚度方向平行的应力作用前后其电阻发生变化；顶电极具有导电性，位于介质层上表面，由若干相互平行且存间距的第一弹性导电体构成，并且相邻第一弹性导电体之间的间距相等；底电极具有导电性，位于介质层下表面，由若干相互平行且存间距的第二弹性导电体构成，并且相邻第二弹性导电体之间的间距相等；所述第一弹性导电体与第二弹性导电体形成一定夹角；所述第一弹性导电体与第二弹性导电体包含液态金属，具有良好的导电性和变形能力，可与介质层发生同步变形；作为优选，所述第一弹性导电体与第二弹性导电体的夹角为90度。所述弹性材料A具有良好的柔韧性，包括但不限于脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)、热塑性弹性体(TPE)等中的一种或者几种。所述导电材料包括但不限于石墨烯、碳粉、炭黑、碳纳米管、银粉、银纳米线、铜纳米管、液态金属中的一种或者几种。所述液态金属是在室温下具有良好的导电性和流动性的金属导电材料，包括但不限于汞、镓基合金，例如镓铟合金、镓铟锡合金等，以及过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓基合金。作为优选，所述第一弹性导电体还包含第一弹性材料，所述第一弹性材料具有良好的柔韧性，包括但不限于脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)、热塑性弹性体(TPE)等中的一种或者几种。作为优选，所述第二弹性导电体还包含第二弹性材料，所述第二弹性材料具有良好的柔韧性，包括但不限于脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)、热塑性弹性体(TPE)中的一种或者几种。作为优选，所述弹性材料A可由一种或多种不同弹性体按照不同比例均匀混合后得到，以达到理想的弹性模量，使制得的介质层受到与其厚度方向平行的应力作用之后当撤销该应力时能够复原。作为优选，还包括封装层，所述封装层包裹在介质层、顶电极与底电极的外围，具有良好的变形能力，可防潮、防气、防热，有利于传感阵列在多种环境下使用。作为优选，所述封装层材料为防潮、防气、防热的弹性材料B，所述弹性材料B包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)、热塑性弹性体(TPE)等中的一种或者几种。作为进一步优选，所述的封装层还延伸至第一弹性导电体之间的间隔处，以及延伸至第二弹性导电体之间的间隔处，以防止在受到应力作用时液态金属流出或跑偏。作为优选，顶电极中包括3-100根第一弹性导电体。作为优选，底电极中包括3-100根第二弹性导电体。作为优选，第一弹性导电体宽度为1mm-3mm。作为优选，第二弹性导电体宽度为1mm-3mm。作为优选，第一弹性导电体间的间距为3mm-5cm。作为优选，第二弹性导电体间的间距为3mm-5cm。作为优选，所述第一弹性导电体与第二弹性导电体的夹角为90°，即，顶电极与底电极呈十字形正交排列。作为一种实现方式，在介质层中，所述导电材料均匀分布在弹性材料A中，但是互相之间存在一定的间隙，顶电极、介质层以及底电极之间并没有形成导电通路，因此在顶电极与底电极之间测得的电阻处于高阻态；当所述弹性应力分布传感阵列中的某区域受到与介质层厚度方向平行的应力作用时，该区域介质层中导电材料之间的间隙减小，顶电极、介质层以及底电极之间形成导电通路，因此该区域的顶电极与底电极之间测得的电阻跳变为低阻态。基于此，通过检测各区域顶电极与底电极之间的电阻变化即可反映受应力与否，当电阻由高阻态变为低阻态时，说明该区域受到应力作用，当电阻始终处于高阻态时，说明该区域未收到应力作用，从而能够得到应力分布信息。作为优选，第一弹性导电体与第二弹性导电体的交叉位置作为信息采集点。在此基础上，当顶电极、介质层以及底电极之间形成导电通路，在顶电极与底电极之间测得的电阻处于低阻态时，作为优选，首先测量顶电极、介质层以及底电极之间形成的导电通路的电阻与所受应力的对应关系，即，当弹性应力分布传感阵列受到与介质层厚度方向平行的应力作用时，随着应力大小的增加，顶电极、介质层以及底电极之间形成的导电通路的电阻的变化曲线；然后，测量顶电极与底电极之间的实际电阻，根据该对应关系分析对应区域受到的实际应力大小，不仅可得到受应力与否的分布信息，而且可得到应力大小的分布信息。本专利技术还提供了一种制备上述弹性应力分布传感阵列的方法，采用掩模板，包括如下步骤：(1)弹性材料A与导电材料混合固化形成介质层；(2)按照顶电极中第一弹性导电体的形状以及排布，在第一掩模板上镂空第一弹性导电体所对应的若干空隙；将第一掩模板放置在介质层上表面，在第一掩模版表面涂刷包含液态金属的浆料，使包含液态金属的浆料填满所述空隙，形成顶电极；(3)按照底电极中第二弹性导电体的形状以及排布，在第二掩模板上镂空第二弹性导电体所对应的若干空隙；将第二掩模板放置在介质层上表面，在第二掩模版表面涂刷包含液态金属的浆料，使包含液态金属的浆料填满所述空隙，形成底电极。为了提高顶电极与介质层间的结合力，作为优选，所述的步骤(2)为：按照顶电极中第一弹性导电体的形状以及排布，在第一掩模板上镂空第一弹性导电体所对应的若干第一空隙；首先，将第一掩模板放置在介质层上表面，然后进行如下(a)、(b)、(c)中的一种；(a)放入磁控溅射仪中进行磁控溅射，在所述第一空隙的底部沉积金膜；(b)放入等离子去胶机中进行处理，使所述第一空隙底部的介质层表面发生变性；(c)在第一掩模板表面涂刷PVA，PVA填充在所述第一空隙底部，使第一空隙底部的介质层表面发生变性；然后，在第一掩模版表面涂刷包含液态金属的浆料，使包含液态金属的浆料填满所述空隙，形成顶电极。为了提高底电极与介质层间的结合力，作为优选，所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种弹性应力分布传感阵列，其特征是：包括顶电极、底电极，以及位于顶电极和底电极之间的介质层；介质层由绝缘的弹性材料A与导电材料混合固化而成，具有良好的变形能力，受到与其厚度方向平行的应力作用前后其电阻发生变化；顶电极具有导电性，位于介质层上表面，由若干相互平行且存间距的第一弹性导电体构成，并且相邻第一弹性导电体之间的间距相等；底电极具有导电性，位于介质层下表面，由若干相互平行且存间距的第二弹性导电体构成，并且相邻第二弹性导电体之间的间距相等；所述第一弹性导电体与第二弹性导电体形成一定夹角；所述第一弹性导电体与第二弹性导电体包含液态金属，具有良好的导电性和变形能力，可与介质层发生同步变形。

【技术特征摘要】
1.一种弹性应力分布传感阵列，其特征是：包括顶电极、底电极，以及位于顶电极和底电极之间的介质层；介质层由绝缘的弹性材料A与导电材料混合固化而成，具有良好的变形能力，受到与其厚度方向平行的应力作用前后其电阻发生变化；顶电极具有导电性，位于介质层上表面，由若干相互平行且存间距的第一弹性导电体构成，并且相邻第一弹性导电体之间的间距相等；底电极具有导电性，位于介质层下表面，由若干相互平行且存间距的第二弹性导电体构成，并且相邻第二弹性导电体之间的间距相等；所述第一弹性导电体与第二弹性导电体形成一定夹角；所述第一弹性导电体与第二弹性导电体包含液态金属，具有良好的导电性和变形能力，可与介质层发生同步变形。2.如权利要求1所述的弹性应力分布传感阵列，其特征是：所述第一弹性导电体与第二弹性导电体的夹角为90°。3.如权利要求1所述的弹性应力分布传感阵列，其特征是：所述弹性材料A包括脂肪族芳香族无规共聚酯、聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的一种或者几种；作为优选，所述导电材料包括石墨烯、碳粉、炭黑、碳纳米管、银粉、银纳米线、铜纳米管、液态金属中的一种或者几种；作为优选，所述液态金属包括汞、镓基合金，例如镓铟合金、镓铟锡合金等，以及过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓基合金。4.如权利要求1所述的弹性应力分布传感阵列，其特征是：所述第一弹性导电体还包含第一弹性材料，所述第一弹性材料包括脂肪族芳香族无规共聚酯、聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的一种或者几种；作为优选，所述第二弹性导电体还包含第二弹性材料，所述第二弹性材料包括脂肪族芳香族无规共聚酯、聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的一种或者几种。5.如权利要求1所述的弹性应力分布传感阵列，其特征是：还包括封装层，所述封装层包裹在介质层、顶电极与底电极的外围，具有良好的绝缘性与变形能力；作为优选，所述的封装层还延伸至第一弹性导电体之间的间隔处，以及延伸至第二弹性导电体之间的间隔处。6.如权利要求5所述的弹性应力分布传感阵列，其特征是：所述封装层材料包括脂肪族芳香族无规共聚酯、聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的一种或者几种。7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的弹性应力分布传感阵列，其特征是：通过测量所述弹性应力分布传感阵列中的各区域受到与介质层厚度方向平行的应力作用前后，顶电极、介质层以及底电极之间的电阻变化，得到应力分布信息。8.如权利要求7所述的弹性应力分布传感阵列，其特征是：首...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚杰，郑亚楠，李润伟，刘宜伟，郁哲，龙婷玉，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33