一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器及其制作方法，其为层状结构，顶层和底层为柔性应变传感器的绝缘封装层，中间为柔性应变传感器的力学敏感层；其中力学敏感层包括至少一层的具有规则裂纹的高导电材料层和至少一层的半导电材料层。本发明专利技术的柔性应变传感器具有高一致性、高重复性、高灵敏度和高可拉伸特性等特点，且其制作工艺简单、制作成本低，易于大规模生产，具有极高的市场价值和产业化潜力。

A flexible strain sensor with regular crack structure and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器及其制作方法
本专利技术属于传感器制造
，具体涉及一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器及其制作方法。
技术介绍
柔性应变传感器不仅可以感知作用对象的刚度、纹理和形状，还可以测量与人体皮肤感知能力相对应的压力、拉伸、滑动和振动等多模态触觉信息。作为新型传感器件，国内外有哈佛大学、斯坦福大学、东京大学、清华大学、中国科学院合肥智能机械研究所、合肥工业大学等在该领域进行了持续性研究。相关工作研究历史仅20余年，现有工作主要集中在敏感材料设计、静态和动态性能优化、传感器标定及解耦等应用基础研究方面。美国Tekscan公司、比利时RSscan公司等已出现商用化的柔性应变传感器产品，国内相关商业产品仍鲜见报道。柔性应变传感器目前正朝着高阵列密度、超低功耗、多功能集成、产业化等应用方向发展，未来柔性应变传感器将在可穿戴设备、仿生机器人、智能假肢等人工智能领域展现出极其重要的应用价值。柔性可穿戴触觉传感器的信号转换机制主要分为压电式、电容式和电阻式三大部分。Wang等通过堆叠两层嵌有银纳米线和镍泡沫的硅橡胶制成摩擦电纳米发电机，用作一种可以将机械变形转换为电信号的柔性应变传感器(H.Wang,D.Li,W.Zhong,L.Xu,T.Jiang,Z.L.Wang.Self-poweredinhomogeneousstrainsensorenabledjointmotionandthree-dimensionalmusclesensing,ACSAppl.Mater.Interfaces,2019,11,34251-34257)。但压电式传感器只能用于动态力学量的测试，无法检测静态压力。Atalay等设计了具有微孔介电层的电容式柔性力学传感器，并成功的应用于机械手抓取(O.Atalay,A.Atalay,J.Gafford,C.Walsh.Ahighlysensitivecapacitive-basedsoftpressuresensorbasedonaconductivefabricandamicroporousdielectriclayer,Adv.Mater.Technol.,2017,1700237)。但电容式压力传感器信号比较微弱，有效信号获取及处理较复杂。压阻传感器可以将外界触觉刺激转换成电阻信号的变化，进而可以方便地用电学测试系统间接探测外力变化，由于其简单的设备和信号读出机制，这类传感器得到广泛研究。柔性力学传感器最常用的方式是将不同导电填料掺入高分子材料中，直接制造压力敏感柔性复合导电材料。Liu等将具有压力敏感特性的炭黑填充硅橡胶制成电阻式压力传感器，并详细分析了传感器的工作原理(P.Liu,C.Liu,Y.Huang,W.Wang,D.Fang,Y.Zhang,Y.Ge,Transferfunctionandworkingprincipleofapressure/temperaturesensorbasedoncarbonblack/siliconerubbercomposites,JournalofAppliedPolymerScience,2016,133(7):42979)。为了兼具良好的柔性和力学灵敏度，压力敏感复合导电高分子材料中导电填料的用量常在渗流体积分数附近，由于复合导电高分子材料的粘弹性特性，导致此类传感器一致性差、重复性差、响应时间极长。为提高柔性力学传感器的动态响应特性，用柔性复合导电高分子材料浸渍海绵是一个常见的研究方向。Huang等通过使用多巴胺/三氨基(羟甲基)甲烷混合溶液对聚氨酯海绵基体进行改性，再将炭黑/石墨烯/硅橡胶复合导电材料层层包覆聚氨酯海绵三维骨架制备高灵敏度、高重复性力学敏感材料(Y.Huang,X.He,L.Gao,Y.Wang,C.Liu,P.Liu.Pressure-sensitivecarbonblack/graphenenanoplatelets-siliconerubberhybridconductivecompositesbasedonathree-dimensionalpolydopamine-modifiedpolyurethanesponge,JournalofMaterialsScience:MaterialsinElectronics,2017,28(13):9495-9504)。但由于海绵骨架不规则以及容易断裂的特点，此类柔性力学传感器的一致性和重复性也较差。为了获得较低的检测下限，具有裂纹结构的柔性应变传感器研究逐渐兴起。Liu等通过拉伸/释放还原氧化石墨烯和弹性胶带的复合膜，制备了具有鱼鳞状石墨烯的宽应变范围、高灵敏度和超低检测限的柔性应变传感器(Q.Liu,J.Chen,Y.Li,G.Shi,High-performancestrainsensorswithfish-scale-likegraphene-sensinglayersforfull-rangedetectionofhumanmotions,ACSNano,2016,10(8):7901-7906)。然而，这一高性能传感器也存在如何保持高一致性和可靠性、低成本以及工业化生产等问题。代坤等将导电涂层涂覆于柔性基板上，所述导电涂层上预制有裂纹结构，裂纹结构采用拉伸挤压的方法产生(代坤，李泽宇，李国杰，郑国强，刘春太，具有裂纹结构的柔性应变传感器及其制备方法，CN105783697B)。然而，这一传感器的裂纹位置和裂纹数量是随机产生的，批量化生产下传感器的一致性差。此外，产生应变过程中，由于只有一层带裂纹的应变转换元，如果某一条裂纹完全裂开，电流通路将断开，使得传感器无法继续工作及使用。韩志武等采用溶剂诱导法首先在聚苯乙烯培养皿上盖的内表面预制放射状规则裂纹阵列，再通过二次模板法将结构转移到PDMS柔性基底上，制备得到规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器(韩志武，刘林鹏，王可军，张俊秋，王泽，焦志彬，陈道兵，牛士超，任露泉，基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器及其制备方法，CN108444377B)。该传感器存在重复性低，裂纹宽度不易控制，使得制作出的传感器一致性差，难以批量化生产。综上所述，柔性应变传感器虽然已经取得了较大的进展，但是在传感器的灵敏度、重复性、一致性、可靠性等方面还存在较多的问题，因此，开发一种可工业化生产、低成本、易于制作成传感阵列，且兼具高一致性、高可靠性、高灵敏度、重复性好、响应时间快以及恢复时间短的柔性应变传感器是十分必要的。
技术实现思路
为避免上述现有技术所存在的不足之处，本专利技术基于印刷后再切割或者直接印刷的方法，提出了一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器及其制作方法，旨在解决现有柔性应变传感器一致性差、可靠性差、重复性低、灵敏度低、响应时间慢以及恢复时间过长等问题，同时解决柔性应变传感器难以实现低成本和大规模生产的问题。本专利技术解决技术问题，采用如下技术方案：一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特点在于：所述柔性应变传感器的力学敏感层包括具有规则裂纹的高导电材料层，还包括半导电材料层。...

【技术保护点】
1.一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述柔性应变传感器的力学敏感层包括具有规则裂纹的高导电材料层，还包括半导电材料层。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述柔性应变传感器的力学敏感层包括具有规则裂纹的高导电材料层，还包括半导电材料层。


2.根据权利要求1所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述柔性应变传感器为层状结构，顶层和底层为柔性应变传感器的绝缘封装层，中间为柔性应变传感器的力学敏感层；
所述力学敏感层由位于上层的具有规则裂纹的高导电材料层，和位于下层的半导电材料层构成；或者，所述力学敏感层是在具有规则裂纹的高导电材料层的上表面和下表面皆设置有一层半导电材料层；或者，所述力学敏感层是在半导电材料层的上表面和下表面皆设置有一层具有规则裂纹的高导电材料层。


3.根据权利要求1或2所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述规则裂纹为周期性的线状裂纹、方波形裂纹、锯齿裂纹、十字裂纹或曲线裂纹，单条裂纹宽度不大于2微米，同一方向相邻裂纹之间的距离为5微米～1厘米。


4.根据权利要求1或2所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述具有规则裂纹的高导电材料层上的规则裂纹是通过加工成膜后再切割或者直接印刷的方法获得。


5.根据权利要求1或2所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述高导电材料层在无外加力作用下的方块电阻值为1Ω/□～500Ω/□，所述半导电材料层在无外加力作用下的方块电阻值为1000Ω/□～10000000Ω/□。


6.根据权利要求1或2所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述高导电材料层和所述半导电材料层是以柔性高分子材料为基体、以导电纳米材料为填料，采用混炼方法获得相应浆料后，再加工成膜获得，且通过调控填料与基体的配比，来实现相应材料层的所需导电率。


7.根据权利要求6所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述柔性高分子材料为天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、热塑性硫化橡胶、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯、苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、二烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体和聚酰胺类热塑性弹性体中的至少一种。


8.根据权利要求6所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述导电纳米材料选自炭黑、石墨、碳纤维、石墨烯、碳纳米管、导电金属粉末和导电金属氧化物中的至少一种。


9.根据权利要求2所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述绝缘封装层、所述高导电材料层和所述半导电材料层的厚度为1微米～1毫米。


10.一种权利要求1～9中任意一项所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、配置半导电浆料
将柔性高分子材料和导电纳米材料按所需配比在溶剂中混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘平，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34