一种电阻式柔性拉伸应变传感器制造技术

一种电阻式柔性拉伸应变传感器，包括中间薄膜层、负泊松比结构层和导电薄膜层，其中负泊松比结构层包括负泊松比结构的手性单元和嵌入单元，负泊松比结构层附在中间薄膜层的一侧，导电薄膜层附在中间薄膜层的另一侧且对应于嵌入单元和手性单元的中心部分的位置，导电薄膜层的两端接电极；其中，当传感器受到拉伸时，手性单元先发生拉胀变形，嵌入单元在拉伸初始时先旋转而不发生拉胀变形，随着拉伸程度的增加才逐渐发生拉胀变形，从而使手性单元和嵌入单元的中心部分对应的导电薄膜层存在拉胀变形的时间差。该传感器整体结构在大拉伸范围内仍然具有负泊松比效应，从而在大拉伸范围内保持了其高灵敏度。内保持了其高灵敏度。内保持了其高灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种电阻式柔性拉伸应变传感器


[0001]本专利技术涉及传感器，特别是涉及一种电阻式柔性拉伸应变传感器。

技术介绍

[0002]近年来，诸如个性化的健康监控、人体运动检测、软体机器人等方面的应用对可伸缩、可皮肤安装和可穿戴的柔性传感器的需求在不断增加。对于柔性传感器的研究，要充分考虑其可拉伸性、灵敏度、耐用性等性能指标，其中可拉伸性和灵敏度又尤为重要。目前提高柔性传感器可拉伸性和灵敏度的主要机制有以下三点：(1)采用纳米复合材料结构；(2)利用变形时的断开或重叠机制；(3)利用裂纹或断裂结构。虽然以上三种机制对柔性传感器的拉伸性和灵敏度的提高做出了巨大贡献，但研发同时具有大可拉伸性和高灵敏度的柔性传感器仍然是一大挑战。
[0003]传统的柔性拉伸应变传感器的导电薄膜具有正泊松比效应，即在纵向拉伸下会产生横向压缩，这就使薄膜中的导电材料在纵向上分离而在横向上靠近，从而降低了导电材料在拉伸下的分离程度，进而限制了灵敏度的提高。力学超材料是近年来超材料领域新兴起的一个分支，它主要是通过对内部几何结构进行精心设计，从而获得增强的或自然材料无法获得的机械性能，如负泊松比或负压缩性等。负泊松比效应是指材料拉伸与和拉伸方向垂直的方向都会膨胀，所以负泊松比的特性，会使得导电材料在纵向和横向上都会相互远离，从而提高传感器的灵敏度。但是现有的基于负泊松比结构的传感器的高灵敏度只能维持在一定的范围内，因为负泊松比结构单元在超出一定的拉伸程度后,负泊松比效应会减弱甚至失去负泊松比效应，从而使得灵敏度降低，不能实现大拉伸范围内的持续高灵敏度效应，不能满足较大变形范围下应用的需要。
[0004]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种基于负泊松比结构的可在大拉伸范围内保持高灵敏度的电阻式柔性拉伸应变传感器，解决传统的柔性拉伸应变传感器不能同时兼得高拉伸性和高灵敏度，并且不能在大拉伸范围内持续保证高灵敏度的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种电阻式柔性拉伸应变传感器，包括中间薄膜层、负泊松比结构层和导电薄膜层，其中所述负泊松比结构层包括负泊松比结构的手性单元和嵌入单元，所述负泊松比结构层附在所述中间薄膜层的一侧，所述导电薄膜层附在所述中间薄膜层的另一侧且对应于所述嵌入单元和所述手性单元的中心部分的位置，所述导电薄膜层的两端接电极；其中，当所述传感器受到拉伸时，所述手性单元先发生拉胀变形，所述嵌入单元在拉伸初始时先旋转而不发生拉胀变形，随着拉伸程度的增加才逐渐发生拉胀变形，从而使所述手性单元和所述嵌入单元的中心部分对应的导电薄膜层存在拉胀变形的时间差。
[0008]所述嵌入单元包括回直蜂窝结构单元、内凹菱形结构单元、行星结构单元中的任一种。
[0009]所述中间薄膜层为弹性介电材料。
[0010]所述弹性介电材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
[0011]所述负泊松比结构层为弹性介电材料。
[0012]所述弹性介电材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
[0013]所述导电薄膜层为碳纳米管薄膜。
[0014]所述电极为液态金属材料。
[0015]所述液态金属材料为铟锡合金。
[0016]多个所述嵌入单元在所述中间薄膜层上以阵列形式排布，相邻的嵌入单元之间通过所述手性单元相连。
[0017]与传统的柔性拉伸应变传感器相比，本专利技术的优势在于：
[0018]传统的基于负泊松比结构的柔性拉伸应变传感器存在在超出一定拉伸范围后负泊松比效应减弱甚至消失从而造成灵敏度下降的问题，本专利技术通过将手性单元与除手性单元外的具有负泊松比效应的回直蜂窝结构或内凹菱形结构等结构单元作为嵌入单元进行组合，使附在中间薄膜层的另一侧对应位置处的导电薄膜层存在拉伸变形的时间差，使得柔性传感器可在大拉伸范围内持续保持高灵敏度，克服了传统柔性拉伸应变传感器不能在大拉伸范围内持续保证高灵敏度的不足。
[0019]本专利技术的有益效果包括：
[0020]1、本专利技术提供一种基于手性单元和嵌入单元的复合负泊松比结构的柔性拉伸应变传感器，使其在纵向拉伸时，可以实现横向膨胀，从而使其导电薄膜中的导电材料得到很好的分离，进而提高灵敏度。同时因为手性单元和嵌入单元负泊松比变形的顺序性，使得传感器整体结构在大拉伸范围内仍然具有负泊松比效应，从而在大拉伸范围内保持了其高灵敏度。
[0021]2、本专利技术可通过对手性单元和嵌入单元的结构形状和结构参数进行选择和调节，获得不同的具有持续高灵敏度的量程范围，可实现多用途使用，使用范围广，满足不同的使用需求。
[0022]3、本专利技术提供的电阻式拉伸应变传感器，其制作工艺简单，可重复使用，经济性好。
[0023]本专利技术解决了传统的柔性拉伸应变传感器不能同时兼得高拉伸性和高灵敏度，并且不能在大拉伸范围内持续保证高灵敏度的问题。其将具有负泊松比的手性单元和诸如回直蜂窝结构等同样具有负泊松比效应的嵌入单元进行组合设计，使它们的拉伸变形具有一定的顺序性，在保证其大可拉伸性的同时，也使整个结构在大拉伸范围内都具有负泊松比效应，进而现传感器在大拉伸应变范围内的持续高灵敏度。
附图说明
[0024]图1为本专利技术一种实施例的传感器阵列图。
[0025]图2为本专利技术一种实施例的传感器单元图。
[0026]图3为本专利技术一种实施例的导电薄膜层信号输出示意图。
[0027]图4为本专利技术一种实施例的手性单元拉伸过程总泊松比变化图。
[0028]图5为本专利技术一种实施例的拉伸过程手性单元及嵌入单元变形程度示意图。
具体实施方式
[0029]以下对本专利技术的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。
[0030]需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
[0031]需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0032]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本专利技术实施例的描述中，“多个”的含义是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电阻式柔性拉伸应变传感器，其特征在于，包括中间薄膜层、负泊松比结构层和导电薄膜层，其中所述负泊松比结构层包括负泊松比结构的手性单元和嵌入单元，所述负泊松比结构层附在所述中间薄膜层的一侧，所述导电薄膜层附在所述中间薄膜层的另一侧且对应于所述嵌入单元和所述手性单元的中心部分的位置，所述导电薄膜层的两端接电极；其中，当所述传感器受到拉伸时，所述手性单元先发生拉胀变形，所述嵌入单元在拉伸初始时先旋转而不发生拉胀变形，随着拉伸程度的增加才逐渐发生拉胀变形，从而使所述手性单元和所述嵌入单元的中心部分对应的导电薄膜层存在拉胀变形的时间差。2.如权利要求1所述的电阻式柔性拉伸应变传感器，其特征在于，所述嵌入单元包括回直蜂窝结构单元、内凹菱形结构单元、行星结构单元中的任一种。3.如权利要求1或2所述的电阻式柔性拉伸应变传感器，其特征在于，所述中间薄膜层为弹性介电材料。...

【专利技术属性】
技术研发人员：弥胜利，李林芷，葛恒源，姚弘毅，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：