一种并联式柔性应变传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种并联式柔性应变传感器及其制备方法，并联式柔性应变传感器包括结构层和被封装在结构层上的若干导电聚合线路，所述结构层在背离导电聚合线路的背面设有呈阵列分布的凸起拉胀结构，所述导电聚合线路顺着结构层上的拉胀结构应变方向布置，所有导电聚合线路并联连接在两组导电胶之间，并通过导电胶引出传感器导线。本发明专利技术在制备并联式柔性应变传感器的制备方法中，通过在导电聚合线路固化过程中施加直流高压电场，诱导碳纳米导电微粒在聚合物中的取向，形成更多导电通路，从而大幅提高应变传感器的灵敏度。大幅提高应变传感器的灵敏度。大幅提高应变传感器的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种并联式柔性应变传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及柔性应变传感器技术，具体涉及一种并联式柔性应变传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，由于柔性应变传感器具有精度高、测量范围广、寿命长、频率响应特性好等优点，所以得到了广泛的重视和发展。柔性应变传感器是一种依靠电阻应变作为转换元件的电阻式传感器，其主要有两种制备方法，分别为采用导电传感膜与柔性基底耦合的方式和采用导电聚合线路复合制备的方式。其中，采用导电聚合线路复合制备的方式不仅容易操作，而且可以控制传感器的机电性能，故而是制备柔性应变传感器的理想方法。这种方法中的导电聚合线路内的导电介质是导电纳米微粒，例如：石墨烯、炭黑、碳纳米管等，这些导电纳米微粒具有结晶度高、力学及电学性能优良和比表面积大等优点，因此更适合制备柔性应变传感器。
[0003]现有的制备柔性应变传感器的技术，会存在因为碳纳米材料分布不均且无规则排列，而无法达到既定灵敏度，从而浪费原材料的问题。而且，还会存在导电聚合线路导电率太低和检测电流太微弱的问题。另外，还存在使用寿命短和导电聚合线路应变率低的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：针对现有柔性应变传感器存在的碳纳米材料存在的上述问题，提供一种并联式柔性应变传感器及其制备方法。
[0005]本专利技术采用如下技术方案实现：
[0006]一种并联式柔性应变传感器，包括结构层和被封装在结构层上的若干导电聚合线路，所述结构层在背离导电聚合线路的背面设有呈阵列分布的凸起拉胀结构，所述导电聚合线路顺着结构层上的拉胀结构应变方向布置，所有导电聚合线路并联连接在两组导电胶之间，并通过导电胶引出传感器导线。
[0007]上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，两组所述导电胶设置在结构层上的拉胀结构应变方向两端，所有导电聚合线路的两端分别与两组导电胶搭接。
[0008]上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，所述结构层上还叠设有封装层，所述导电聚合线路封装于结构层和封装层之间。
[0009]本专利技术还公开了一种并联式柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0010]S1：在模具凹槽内均匀涂覆第一柔性基底液，放入恒温箱中固化形成结构层；
[0011]S2：在固化的结构层表面布设导电聚合线路；
[0012]S3：将模具放入高压直流电场，使导电聚合线路沿电场线方向静置20～40min，然后放入恒温箱中将导电聚合线路固化；
[0013]S4：用导电胶将结构层上的所有导电聚合线路两端并联连接，并且将导电胶引出连接导线；
[0014]S5：待导电胶固化后，在结构层设置导电聚合线路的一面涂覆第二柔性基底液，放入恒温箱中固化实现传感器封装；
[0015]S6：脱模后得到权利要求1-3中任一项所述的并联式柔性应变传感器。
[0016]上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，所述步骤S1中，所述模具中设置拉胀结构凹模，对结构层上的凸起拉胀结构直接成型。
[0017]上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，在步骤S2中，在固化的结构层采用3D打印导电聚合线路，具体步骤如下：将碳纳米材料混合液装入注射器中，以模具中固化的结构层为基底，通过3D打印机在结构层表面直接打印导电聚合线路。
[0018]上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，所述碳纳米材料混合液由碳纳米材料和柔性基底液混合制成，所述碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、碳黑中的一种或多种，质量分数为3wt％～4wt％。
[0019]上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，所述步骤S3中，所述高压直流电场的强度为2000V/cm。
[0020]上述方案中的一种并联式柔性应变传感器，进一步的，在步骤S4中，所述导电胶为导电银胶，导线为铜丝。
[0021]在本专利技术的一种并联式柔性应变传感器的制备方法中，所述第一柔性基底液和第二柔性基底液为热塑性聚氨酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷中的一种。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]一、本专利技术提供的柔性应变传感器，制备工艺合理，尺寸可以根据需求改变，可以做的很轻薄，导电聚合线路是封装在柔性基底内部的，所以不存在脱落风险，防水防尘，可以在酸、碱等多种复杂环境下使用。可以用于人体可穿戴传感器方面，应用范围面广泛，有非常好的应用前景，为柔性传感器的制备提供一种新的思路。
[0024]二、本专利技术提供的柔性应变传感器，内部的导电聚合线路中的碳纳米材料可以在电场的诱导下实现顺着电场方向的有序排列，因此，仅需少量碳纳米材料既可实现导电聚合线路有序的导电通路，3D直写式打印的工艺可以进一步让导电聚合线路在柔性基体上均匀分布，制造也更加快捷且多样化，进而达到大幅节省原材料和提高传感器灵敏度的效果。
[0025]三、本专利技术提供的柔性应变传感器，作为电极的导电胶与导电聚合线路的连接方式为并联连接，这种并联连接可以通过减小聚合物的电阻，进而改善碳纳米聚合物导电率低的问题，相应地也增大了检测电流，使传感器的信号传递更为准确。
[0026]四、本专利技术提供的柔性应变传感器，结构层外侧设有呈阵列分布的凸起纹路作为传感器的应变拉胀结构，可以改善传感器拉伸时的变形不均的现象，增强传感器使用的可靠性，增加使用寿命；这种结构还可以通过增加横向应变，从而增大导电聚合线路的应变率。
[0027]综上所述，本专利技术提供的一种并联式柔性应变传感器及其制备方法，通过在导电聚合线路固化过程中施加直流高压电场，诱导碳纳米导电微粒在聚合物中的取向，从而大幅提高应变传感器的灵敏度。
[0028]以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。
附图说明
[0029]图1为实施例一的并联式柔性应变传感器外部示意图。
[0030]图2为实施例一的并联式柔性应变传感器内部导电聚合线路示意图。
[0031]图3为实施例二和实施例三的并联式柔性应变传感器的制备工艺流程示意图。
[0032]图4是本专利技术实施例二制备的柔性传感器的灵敏度检测图。
[0033]图5是本专利技术实施例三制备的柔性传感器的灵敏度检测图。
[0034]图中标号：1-结构层，101-折线凸筋，102-直线凸筋、2-封装层、3-导电聚合线路、4-导电胶、5-导线、6-模具、7-第一柔性基底液、8-3D打印机、9-碳纳米材料混合液、10-电场、11-第二柔性基底液。
具体实施方式
[0035]实施例一
[0036]参见图1和图2，图示中的并联式柔性应变传感器为本专利技术的一种具体实施方案，具体包括结构层1、封装层2、导电聚合线路3、导电胶4和导线5，其中结构层1为传感器本体结构，其在载荷作用下产生应变，导电聚合线路3封装布置在结构层1上，通过导线5引出连接到检测电路上，结构层1产生的应变带动导电聚合线路3的拉长或缩短变化，产生电阻应变，使传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种并联式柔性应变传感器，其特征在于：包括结构层和被封装在结构层上的若干导电聚合线路，所述结构层在背离导电聚合线路的背面设有呈阵列分布的凸起拉胀结构，所述导电聚合线路顺着结构层上的拉胀结构应变方向布置，所有导电聚合线路并联连接在两组导电胶之间，并通过导电胶引出传感器导线。2.根据权利要求1所述的一种并联式柔性应变传感器，两组所述导电胶设置在结构层上的拉胀结构应变方向两端，所有导电聚合线路的两端分别与两组导电胶搭接。3.根据权利要求1或2所述的一种并联式柔性应变传感器，所述结构层上还叠设有封装层，所述导电聚合线路封装于结构层和封装层之间。4.一种并联式柔性应变传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：S1：在模具凹槽内均匀涂覆第一柔性基底液，放入恒温箱中固化形成结构层；S2：在固化的结构层表面布设导电聚合线路；S3：将模具放入高压直流电场，使导电聚合线路沿电场线方向静置20～40min，然后放入恒温箱中将导电聚合线路固化；S4：用导电胶将结构层上的所有导电聚合线路两端并联连接，并且将导电胶引出连接导线；S5：待导电胶固化后，在结构层设置导电聚合线路的一面涂覆第二柔性基底液，放入恒温箱中固化实现传感器封装；S6：...

【专利技术属性】
技术研发人员：云忠，姚金甫，姜豪，冯云昊，魏娟萍，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：