一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法，该传感器包括柔性基底、感应薄膜层和结构层；柔性基底的顶端表面设有中心凹槽和四个边缘凹槽，四个边缘凹槽成中心对称分布在中心凹槽的四周；边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；感应薄膜层位于柔性基底的中心凹槽中；结构层含有四个结构柱，结构柱位于柔性基底的边缘凹槽中并与边缘凹槽一一对应。本发明专利技术柔性应变传感器通过放大结构对感压薄膜层放大拉伸，实现提高柔性应变传感器的灵敏度的目的。本发明专利技术制备方法，工艺流程简单，可行性高。

A flexible strain sensor with amplification structure and its preparation method

The invention discloses a flexible strain sensor with an amplification structure and a preparation method thereof, which comprises a flexible base, an induction film layer and a structural layer; a central groove and four edge grooves are arranged on the top surface of the flexible base, and four edge grooves are centrally symmetrically distributed around the central groove; the length direction of the edge groove is arranged at an angle with the transverse direction of the flexible base. And the angle is acute; the induction film layer is located in the central groove of the flexible base; the structure layer contains four structural columns, which are located in the edge groove of the flexible base and correspond to the edge groove one by one. The flexible strain sensor of the invention enlarges and stretches the pressure-sensitive film layer by an enlarging structure to achieve the purpose of improving the sensitivity of the flexible strain sensor. The preparation method of the invention has simple process flow and high feasibility.

【技术实现步骤摘要】
一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种柔性应变传感器，具体来说，涉及一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法。
技术介绍
随着科学技术的快速发展，人们工作的环境更加趋于复杂化和多样化，对电子器件在柔韧性、便携性、可穿戴性等方面的要求越来越高。与传统传感器相比，柔性传感器克服了易脆和基底不可弯曲形变的缺点，并且具有尺寸小、重量轻、功耗低、易于集成并且耐恶劣工作环境等优点，成为了许多科研工作者的研究重点，并在很多领域被广泛应用，比如健康监测、电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品等。柔性应变传感器的工作原理是基于应变传感器受力产生形变，附着在基底上的感压薄膜会因受力而产生形变，薄膜的形变会使其电阻值或者电容值发生改变，改变量的大小与形变量有关。通常，常见材料在轴向拉伸时会经历横向收缩，在轴向压缩时经历横向膨胀，这种横向变形的大小由称为泊松比的材料特性决定。泊松比定义为负横向应变除以拉伸力方向的轴向应变。由于普通材料在轴向拉伸时横向收缩并在轴向压缩时横向膨胀，所以这些材料的泊松比为正。例如，橡胶和软生物组织的泊松比约为0.5，铅为0.45，铝为0.33，普通钢为0.27，典型聚合物泡沫为0.1至0.4。由于应变传感器的灵敏度与感压薄膜的面积形变量有直接关系，总的原则是相同外力作用时，面积形变量越大，灵敏度越高。而正泊松比会导致柔性应变传感器受外力作用时，虽然一个方向上会拉伸(或者压缩)，但与之对应的另一个方向则会反向变化，压缩(或拉伸)，面积变化的总效果上会被减弱。传统的提高柔性应变传感器的灵敏度的方法侧重于改变和优化灵敏材料，但常见的感压薄膜材料一般均为正泊松比，可提高的灵敏度有限。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法，可提高柔性应变传感器的灵敏度。为解决上述技术问题，一方面，本专利技术实施例提供一种含有放大结构的柔性应变传感器，包括柔性基底、感应薄膜层和结构层；所述柔性基底的顶端表面设有中心凹槽和四个边缘凹槽，四个边缘凹槽成中心对称分布在中心凹槽的四周；所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；所述感应薄膜层位于柔性基底的中心凹槽中；所述结构层含有四个结构柱，结构柱位于柔性基底的边缘凹槽中并与边缘凹槽一一对应。作为优选例，所述中心凹槽为矩形。作为优选例，所述结构柱为长方体状。作为优选例，所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向之间的夹角为35°。作为优选例，所述制作结构柱的材料比制作柔性基底的材料硬度高。作为优选例，所述柔性基底由聚二甲基硅氧烷制成。作为优选例，所述感应薄膜层由石墨烯纳米片、碳纳米管或纳米银线制成。另一方面，本专利技术实例还提供一种含有放大结构的柔性应变传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：第一步：在硅片上表面依次淀积光刻胶层和二氧化硅层；第二步：对二氧化硅层图形化，得到上表面带有中心凸起和四个边缘凸起的硅模板；所述四个边缘凸起成中心对称分布在中心凸起的四周；所述边缘凸起的长度方向与硅模板的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；第三步：在硅模板的上表面制作柔性基底；第四步：依次腐蚀光刻胶层和二氧化硅层，获得带有中心凹槽和四个边缘凹槽的柔性基底；第五步：在柔性基底的四个边缘凹槽中制作四个结构柱，形成结构层；第六步：在柔性基底的中心凹槽中制作感应薄膜层，并在感压薄膜层的两端焊接电极，制得含有放大结构的柔性应变传感器。作为优选例，所述柔性基底由聚二甲基硅氧烷制成。作为优选例，所述感应薄膜层由石墨烯纳米片、碳纳米管或纳米银线制成。与现有技术相比，本专利技术实施例的含有放大结构的柔性应变传感器，可提高柔性应变传感器的灵敏度。本专利技术实施例中，在感应薄膜层的四周设置四个结构柱，构成放大结构，传感器受到外力横向拉伸时，四个结构柱发生偏转，引起感应薄膜层纵向延展，抑制感应薄膜层在横向拉伸出现纵向收缩的现象，提高感应薄膜层总面积的变化量，从而提高柔性应变传感器的灵敏度。在相同外力作用时，本专利技术实施例的柔性应变传感器的灵敏度高于现有的应变传感器。本专利技术实施例的制备方法，工艺流程简单，重复性与可靠性高。附图说明图1为本专利技术实施例中柔性应变传感器的结构俯视图；图2为本专利技术实施例中制备方法的第一步的结构剖视图；图3为本专利技术实施例中制备方法的第二步得到硅模板的结构剖视图；图4为本专利技术实施例中制备方法的第三步的结构剖视图；图5为本专利技术实施例中制备方法的第四步得到柔性基底的结构剖视图；图6为本专利技术实施例中制备方法的第五步在柔性基底的边缘凹槽中制得结构层的结构剖视图；图7为本专利技术实施例中制备方法的第六步在柔性基底的中心凹槽中制得感应薄膜层的结构剖视图。图中有：柔性基底1、感应薄膜层2、结构层3、硅片4、光刻胶层5、二氧化硅层6。具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施例，对本专利技术做进一步的解释说明。需要说明的是，图1中沿箭头X的方向为柔性应变传感器的横向，沿箭头Y的方向为柔性应变传感器的纵向。如图1所示，本专利技术实施例的柔性应变传感器，包括柔性基底1、感应薄膜层2和结构层3。所述柔性基底1的顶端表面设有中心凹槽和四个边缘凹槽，四个边缘凹槽成中心对称分布在中心凹槽的四周。所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向成夹角设置，且该夹角为锐角。所述感应薄膜层2位于柔性基底1的中心凹槽中。所述结构层3含有四个结构柱，结构柱位于柔性基底1的边缘凹槽中并与边缘凹槽一一对应。上述实施例的柔性应变传感器中，柔性基底1的上表面开设一个中心凹槽和四个边缘凹槽，中心凹槽和四个边缘凹槽的深度一致。其中，中心凹槽位于柔性基底1的中央，四个边缘凹槽位于中心凹槽的四周，且以柔性基底的横向中线对称分布，同时以纵向中线也成对称分布。每个边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向中线的夹角θ为锐角，且相对的两个边缘凹槽位于同一直线上。感应薄膜层2位于中心凹槽中。结构层3含有四个结构柱，分别位于四个边缘凹槽中，且与边缘凹槽一一匹配对应。使用上述实施例的柔性应变传感器时，传感器受到外力横向拉伸时，图1中位于柔性基底左上角和右上角的结构柱的远离感应薄膜层的一端向下偏转，位于柔性基底左下角和右下角的结构柱的远离感应薄膜层的一端向上偏转，从而四个结构柱的靠近感应薄膜层的一端带动感应薄膜层纵向延展，抑制感应薄膜层在横向拉伸出现纵向收缩的现象，提高感应薄膜层总面积的变化量，从而提高柔性应变传感器的灵敏度。经仿真验证，在相同外力作用时，上述实施例的应变传感器的感应薄膜层纵向拉伸14.2％，而现有应变传感器的感应薄膜层纵向收缩4.0％，本专利技术实施例的柔性应变传感器的灵敏度高于现有的应变传感器。作为优选方案，所述中心凹槽为矩形。中心凹槽为矩形，有利于将感应薄膜层放置中央。需要说明的是，中心凹槽的长度方向与柔性基底1的横向一致，中心凹槽的宽度方向与柔性基底的纵向一致。优选，中心凹槽的长宽比为1时，即中心凹槽为正方形时，感应薄膜层的横向不容易拉动，将更多横向拉力转为纵向，纵向拉伸效果最好，柔性应变传感器的灵敏度高。作为优选方案，所述结构柱为长方体状。优选，结构柱的长宽比为2时，纵向拉伸感应薄膜层的效果好，柔性应变传感器的灵敏度高。作为优选方案，所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底1的横向之间的夹角为35°本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，包括柔性基底(1)、感应薄膜层(2)和结构层(3)；所述柔性基底(1)的顶端表面设有中心凹槽和四个边缘凹槽，四个边缘凹槽成中心对称分布在中心凹槽的四周；所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底(1)的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；所述感应薄膜层(2)位于柔性基底(1)的中心凹槽中；所述结构层(3)含有四个结构柱，结构柱位于柔性基底(1)的边缘凹槽中并与边缘凹槽一一对应。

【技术特征摘要】
1.一种含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，包括柔性基底(1)、感应薄膜层(2)和结构层(3)；所述柔性基底(1)的顶端表面设有中心凹槽和四个边缘凹槽，四个边缘凹槽成中心对称分布在中心凹槽的四周；所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底(1)的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；所述感应薄膜层(2)位于柔性基底(1)的中心凹槽中；所述结构层(3)含有四个结构柱，结构柱位于柔性基底(1)的边缘凹槽中并与边缘凹槽一一对应。2.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述中心凹槽为矩形。3.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述结构柱为长方体状。4.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底(1)的横向之间的夹角为35°。5.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述制作结构柱的材料比制作柔性基底(1)的材料硬度高。6.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性基底(1)由聚二甲基硅氧烷制成。7.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂萌，艾鹭，陈佳琦，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32