一种基于干燥介导自组装的电阻式柔性应变传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于胶体粒子干燥介导自组装形成平行裂纹的电阻式柔性应变传感器及其制备方法，所述柔性应变传感器，包括，由下而上依次排列的：柔性基底、敏感层、导电层；所述柔性基底为柔性材料的薄膜；所述敏感层由胶状分散体干燥产生的薄膜制得；其上表面具有规则裂纹阵列结构；所述导电层上设有一对铜片电极，两个电极分别位于导电层的两端；所述电极均引出一条漆包导线。本发明专利技术所提供的柔性应变传感器可以贴于人体皮肤表面或附着在衣物上，实现人体呼吸、脉搏、步态、关节运动等可穿戴式监测。该柔性应变传感器采用干燥介导法，实现胶体粒子自组装形成平行裂纹，具备灵敏度高，制备过程快捷高效，制备工艺简单环保，利于大面积制造，成本低等特点，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于干燥介导自组装的电阻式柔性应变传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种基于干燥介导自组装的电阻式柔性应变传感器及其制备方法，属于柔性传感器技术。
技术介绍
传感器是一类功能检测性装置的总称，能将外界信息转化为可视、可读、可存储的电信号或其它所需形式的信息输出。应变传感器是基于物体受力产生应变并转化为其它可读信号的一类传感器。近年来，传统的应变传感器因其自身材料的性质，柔韧性和检测精度受到了很大的限制，在许多要求柔韧性的新兴领域越来越不适应。因此，柔性应变传感器应运而生。柔性应变传感器一种将敏感体机械变形转换成电学信号的柔性电子器件，能够附着于表面弯曲、结构复杂的区域，跟随其实现相应拉伸、弯曲、扭转等变形，非常方便地对特殊环境和信号进行精确快捷测量，并在人体体征检(监)测、肢体关节运动、智能电子、智能蒙皮等领域存在广泛的应用需求，从而引起人们越来越广泛的关注。近年来，相关领域的研究人员针对该需求制备了多种柔性应变传感器，主要在柔性基底上涂覆应变敏感材料，通过工作过程中的电阻变化来监测应变行为。就目前的研究来看，一方面，研究人员致力选择电学性能、机械性能优异的敏感材料来提高应变传感器的灵敏度与稳定性，如碳纳米管、石墨烯、PEDOT:PSS等；另一方面，研究人员通过引入精细微纳结构来实现传感器性能的优化，目前已报道的微纳结构包括分层、褶皱、织物、裂纹等。然而，石墨烯、碳纳米管等材料的制备复杂，成本较高，限制了柔性应变传感器的发展。而裂纹结构相较于其他微纳结构由于结构简单信号采集容易备受研究者的青睐。具有裂纹结构的柔性应变传感器工作原理为：在柔性基底表面加工出特定尺寸的裂纹，在外部载荷的作用下柔性基底发生微弱形变，导致裂纹两壁间距发生改变，进而诱导电阻发生改变完成测量。许多科研小组基于此相继制备了多种具有裂纹结构的柔性应变传感器，有效地提高了柔性应变传感器的灵敏度。目前已报道的具有裂纹结构的传感器主要分为：以弯曲、撕裂、拉伸等机械方式产生尺寸分布不规则的裂纹。但是，裂纹的几何参数是影响柔性应变传感器性能的决定性因素之一，工作过程中裂纹结构尺寸不同和分布无序使得该类型传感器的稳定性、使用寿命大大降低；以光刻、氧化、纳米压印等方法加工出具有规则裂纹结构的模板，再通过模板法将裂纹阵列转移到柔性基底表面。采用新的加工工艺如光刻、纳米压印等技术，将自发无序的裂纹结构转变为精确可控的裂纹结构，虽实现了传感器性能的优化，但具有精细裂纹结构的模具加工难度大，加工周期长，加工成本高，严重制约了具有裂纹结构的应变的柔性应变传感器的商业化进程。因此实现基于裂纹结构的柔性应变传感器的高效低成本制备技术是实现该类柔性应变传感器推广应用的关键。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的基于裂纹结构的柔性应变传感器制备周期长，加工困难、技术要求高等技术缺陷，本专利技术提供一种基于干燥介导自组装的电阻式柔性应变传感器及其制备方法，其加工工艺简单、制备迅速，能够在柔性基底上加工出平行排列、几何参数均匀一致的裂纹阵列。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种基于干燥介导自组装的电阻式柔性应变传感器，包括，由下而上依次排列的：柔性基底、敏感层、导电层；所述柔性基底为柔性材料的薄膜；所述敏感层由胶状分散体干燥产生的薄膜制得；其上表面具有尺寸相对一致，分布均匀的裂纹阵列结构；所述导电层上设有一对铜片电极，两个电极分别位于导电层的两端；所述电极均引出一条漆包导线。如上所述的电阻式柔性应变传感器，优选地，所述裂纹阵列结构是胶状分散体通过定向干燥介导自组装形成的平行裂缝。进一步地，所述裂纹阵列结构在自由状态下，裂纹的宽度在1～6μm范围内，裂纹的间距在10～40μm范围内，裂纹的深度在1～4μm范围内。如上所述的电阻式柔性应变传感器，优选地，所述敏感层的胶状分散体为聚苯乙烯乳胶颗粒、水性丙烯酸树脂、二氧化钛纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒中的任一种。为了胶体粒子干燥后自组装产生平行裂纹，优选粒径为40～80nm水性丙烯酸树脂。如上所述的电阻式柔性应变传感器，优选地，所述柔性材料为聚酰胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种。为了避免柔性基底与人体皮肤产生过敏反应，柔性材料优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，厚度为100μm。如上所述的电阻式柔性应变传感器，优选地，所述导电层的材质为金、银、铜、铬金属纳米粒子，所述导电层的厚度为40～50nm，在自然状态下其表面裂纹几何参数与敏感层结构的几何参数基本相同。进一步地，所述敏感层干燥后厚度约为9～18μm。另一方面，本专利技术还提供一种如上所述的基于干燥介导自组装的电阻式柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：S1、制备胶状分散体水性分散液；S2、柔性基底的预处理；S3、利用胶状分散体水性分散液干燥介导自组装法在柔性基底的上表面制备表面带有规则裂纹阵列的敏感层；S4、在敏感层裂纹结构表面溅射镀膜制备导电层；S5、在导电层两端贴上铜片电极，并在铜片电极上分别引出一条漆包导线，获得柔性应变传感器。如上所述的制备方法，优选地，所述步骤S1包括如下操作：向去离子水中加入粒径为40～80nm胶状分散体溶质，得到一定浓度的胶状分散体水性分散液；将配置好的胶状分散体水性分散液超声振荡后，过滤，并将过滤得到滤液密封静置过夜得到胶状分散体水性分散液。胶状分散体溶质在离子水中的浓度为0.1～0.3g/mL。优选地，所述胶状分散体溶质的材料为聚苯乙烯乳胶颗粒、水性丙烯酸树脂、二氧化钛纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒中的任一种。如上所述的制备方法，优选地，所述步骤S2中预处理为：将柔性基底依次用水、丙酮和异丙醇超声清洗，然后用氮气干燥得到超净柔性基底。进一步，水、丙酮和异丙醇超声清洗的时间分别为10～30分钟。如上所述的制备方法，优选地，所述步骤S3包括如下操作：取S1中预先配置好的胶状分散体水性分散液超声振荡，并将其均匀滴到柔性基底上端；所述柔性基底呈一定角度倾斜放置，在重力作用下胶状分散体水性溶液自由流淌覆盖柔性基底表面；进行干燥，胶状分散体水性分散液中的水分蒸发并在与空气接触的表面逐渐产生相互平行的裂纹。进一步，优选地，干燥时，可将柔性基底置于温度为60～100℃的恒温环境下进行；倾斜的角度优选为15～45゜。为加快裂缝结构产生的速度，利用恒温加热台对柔性基底进行加热。5分钟之内，敏感层丙烯酸树脂胶粒干燥自组装形成尺寸均匀、分布有序的平行裂缝。如上所的制备方法，优选地，在步骤S3中，所述超声振荡的时间为10～30分钟，所述柔性基底的厚度为100μm,所述敏感层的厚度约为15μm，在步骤S4中，所述导电层的厚度为40～50nm。上述制备的柔性应变传感器可以贴于人体皮肤表面或附着在衣物上，用于实现人体呼吸、脉搏、步态、关节运动等可穿戴式监测。该柔性应变传感器采用干燥介导法，实现胶体粒子自组装形成平行裂纹，具备灵敏度高，制备过程快捷高效，制备工艺简单环保，利于大面积制造，成本低等特点，具有广阔的应用前景。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：(1)相对于其它基于裂纹结构电阻式应变传感器而言，本专利技术的利用胶体粒子干燥自组装制备的柔性应变传感器，裂纹的几何参数高度可控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于干燥介导自组装的电阻式柔性应变传感器，其特征在于，其包括：由下而上依次排列的：柔性基底、敏感层、导电层；所述柔性基底为柔性材料的薄膜；所述敏感层由胶状分散体干燥产生的薄膜制得；其上表面具有尺寸相对一致，分布均匀的裂纹阵列结构；所述导电层上设有一对铜片电极，两个电极分别位于导电层的两端；所述电极均引出一条漆包导线。

【技术特征摘要】
1.一种基于干燥介导自组装的电阻式柔性应变传感器，其特征在于，其包括：由下而上依次排列的：柔性基底、敏感层、导电层；所述柔性基底为柔性材料的薄膜；所述敏感层由胶状分散体干燥产生的薄膜制得；其上表面具有尺寸相对一致，分布均匀的裂纹阵列结构；所述导电层上设有一对铜片电极，两个电极分别位于导电层的两端；所述电极均引出一条漆包导线。2.如权利要求1所述的电阻式柔性应变传感器，其特征在于，所述裂纹阵列结构是胶状分散体通过定向干燥介导自组装形成的平行裂缝；在自由状态下，裂纹的宽度在1～6μm范围内，裂纹的间距在10～40μm范围内，裂纹的深度在1～4μm范围内。3.如权利要求1所述的电阻式柔性应变传感器，其特征在于，所述敏感层的胶状分散体为聚苯乙烯乳胶颗粒、水性丙烯酸树脂、二氧化钛纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒中的任一种。4.如权利要求1所述的电阻式柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性材料为聚酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。5.如权利要求1所述的电阻式柔性应变传感器，其特征在于，所述导电层的材质为金、银、铜或铬金属纳米粒子，所述导电层的厚度为40～50nm，在自然状态下其表面裂纹几何参数与敏感层结构的几何参数基本相同；所述敏感层干燥后厚度约为9～18μm。6.一种电阻式柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备胶状分散体水性分散液；S2、柔性基底的预处理；S3、利用胶状体分散体水性分散...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊秋，孙涛，韩志武，刘林鹏，牛士超，侯涛，王可军，陈思琪，王大凯，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22