本发明专利技术涉及应变传感器，具体是一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器及其制备方法。本发明专利技术解决了现有电容式应变传感器无法区分拉力与正压力、无法应用于大拉伸应变的问题。一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器，包括柔性上基板、柔性下基板；柔性上基板的下表面开设有叉指型微流控通道，且叉指型微流控通道的两个接线端与柔性上基板的上表面之间各开设有一个上下贯通的填充孔；柔性上基板的下表面和柔性下基板的上表面粘合在一起；叉指型微流控通道内填充有液态金属叉指电极；两个填充孔的孔口均封堵有粘接剂。本发明专利技术适用于人机界面、软机器人、电子皮肤等领域。电子皮肤等领域。电子皮肤等领域。
【技术实现步骤摘要】
一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器及其制备方法
[0001]本专利技术涉及应变传感器，具体是一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器及其制备方法。
技术介绍
[0002]由柔软可拉伸材料制成的应变传感器在人机界面、软机器人、电子皮肤等领域引起了极大的兴趣，这些应变传感器可以帮助监测软机器人的运动或将人体运动转换为电信号。
[0003]应变传感器的传感机制主要有三种：电容传感、压阻传感、压电传感。在这些传感机制中，电容传感由于其低温度系数、低功耗和低滞后行为而优于其它传感机制。但是对于平行极板电容来说，由可以得知，无论是拉力还是正压力都会使得电容发生变化，拉力传感与正压力传感之间存在串扰问题，因此平行极板电容式应变传感器无法区分拉力与正压力。
[0004]对于可以将拉力传感与正压力传感解耦的叉指电容式应变传感器，叉指电容式应变传感器的电容产生于电极之间，叉指电容C的一个单元电容C
u
由三个并联电容组成，分别为两个边缘电场电容C
su1
和C
su2
以及一个平行场电容C
m
，其中边缘场电容由计算所得，平行场电容由计算所得，总电容由计算所得，总电容由计算所得。
[0005]电极作为叉指电容式应变传感器的关键元件，即使在拉伸条件下也应具有良好的导电性。但是目前被选为叉指电容式应变传感器电极的可拉伸材料薄膜，如银纳米线或碳纳米管网络，虽然可在适度的拉伸应变下保持导电性，却在拉伸应变超过100％时无法保持导电性，因此导致叉指电容式应变传感器无法应用于大的拉伸应变。
[0006]Ju Y H等人在(Ju Y H,Han C J,Kim K S,et al.UV
‑
Curable Adhesive Tape
‑
Assisted Patterning of Metal Nanowires for Ultrasimple Fabrication of Stretchable Pressure Sensor[J].Advanced Materials Technologies,2021:2100776.)中设计出一种紫外光固化胶带辅助金属纳米线图案化超简易拉伸式压力传感器，这种传感器采用叉指式电极结构，银纳米线作为电极材料，对该传感器无论是施加拉力还是压力，该传感器电容都会发生下降，拉力传感与压力传感之间存在串扰问题，传感器无法区分拉力与压力，并且该传感器的电极只能在适度的拉伸应变下可以保持导电性，无法应用于大的拉伸应变。
[0007]Hesam Mahmoudinezhad Masoumeh等人在(Hesam Mahmoudinezhad Masoumeh,Anderson Iain,Rosset Samuel.Interdigitated Sensor Based on a Silicone Foam for Subtle Robotic Manipulation.[J].Macromolecular rapid communications,
2020:)中设计出一种基于硅泡沫的叉指式传感器，这种叉指式传感器采用叉指式电极结构，在柔性印刷电路板(PCB)上形成叉指电极，并覆盖有可压缩弹性泡沫，该传感器只能应用于检测压力，不能应用于检测拉力，并且该传感器只能检测50N范围内的压力，检测范围很小。
[0008]专利CN202110131844.X(申请日期2021年1月30日，公开日期2021年6月15日)公开了一种柔性叉指电容传感器结构及其制备方法。该传感器由基底层、中间叉指电极层和上封装层组成，同样采用叉指式电极结构，且电极由液态硅橡胶、刚性导电纤维颗粒、稀释剂和协同剂混炼均匀而成，对该传感器无论是施加拉力还是压力，该传感器电容都会发生下降，拉力传感与压力传感之间存在串扰问题，传感器无法区分拉力和压力，且该传感器仅有0％～45％的应变工作范围，不适用于大的拉伸应变。
[0009]专利CN202010311401.4(申请日期2020年4月20日，公开日期2020年8月7日)公开了一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，该传感器的叉指电极采用了丝网印刷工艺将导电油墨印刷于柔性基底上制备而成，该传感器同样采用叉指式电极结构，但只能用来检测压力，不适用于检测拉力。
[0010]综上所述，目前对柔性叉指传感器的研究和专利缺少，就目前的柔性叉指传感器存在以下局限性：
[0011](1)柔性叉指传感器多为压力传感器，缺少对拉伸载荷下柔性叉指传感器的制备及性能研究，部分柔性叉指传感器虽然可以检测拉力，但是拉力传感与正压力传感之间存在串扰问题，从而导致传感器无法区分拉力与压力。
[0012](2)许多柔性叉指传感器检测范围小，不适用于大的拉伸应变。
[0013]研究表明，蚯蚓由多个平行排列的节段组成，当蚯蚓运动时，这些节段舒张收缩交替进行，借助体表肌肉结构及肌电反应实现触觉响应，采用神经索传递外界刺激信号，形成了优良的感知机制，为本专利技术提供了重要的仿生学启示。基于蚯蚓肌电反应原理设计一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器，可以解决现有电容式应变传感器无法区分拉力与正压力、无法应用于大拉伸应变的问题。
技术实现思路
[0014]本专利技术为了解决现有电容式应变传感器无法区分拉力与正压力、无法应用于大拉伸应变的问题，提供了一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器及其制备方法。
[0015]本专利技术是采用如下技术方案实现的：
[0016]一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器，包括柔性上基板、柔性下基板；柔性上基板的下表面开设有叉指型微流控通道，且叉指型微流控通道的两个接线端与柔性上基板的上表面之间各开设有一个上下贯通的填充孔；柔性上基板的下表面和柔性下基板的上表面粘合在一起；叉指型微流控通道内填充有液态金属叉指电极；两个填充孔的孔口均封堵有粘接剂。
[0017]柔性上基板和柔性下基板均呈长方形，二者的厚度均小于1mm，二者均采用PDMS制成；两个填充孔的直径均为1mm；液态金属叉指电极的厚度为50μm、相邻两个指部的间距为200μm、每个指部的长度均为1cm、每个指部的宽度均为100μm；粘接剂采用Sil
‑
Poxy硅胶粘接剂；液态金属叉指电极的两个接线端各连接有一根导线。
[0018]一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器的制备方法(该方法用于制备本专利技术所述的一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器)，该方法是采用如下步骤实现的：
[0019]步骤S1：制备柔性上基板；具体步骤如下：
[0020]步骤S1.1：选取第一硅片，然后采用光刻工艺在第一硅片的上表面形成叉指型凸起；
[0021]步骤S1.2：在第一硅片的上表面旋涂第一PDMS层，并保证第一PDMS层将叉指型凸起全部覆盖，然后将第一PDMS层进行固化；
[0022]步骤S1.3：将固化后的第一PDMS层进行剥离，由此得到下表面本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器，其特征在于：包括柔性上基板(1)、柔性下基板(2)；柔性上基板(1)的下表面开设有叉指型微流控通道(3)，且叉指型微流控通道(3)的两个接线端与柔性上基板(1)的上表面之间各开设有一个上下贯通的填充孔(4)；柔性上基板(1)的下表面和柔性下基板(2)的上表面粘合在一起；叉指型微流控通道(3)内填充有液态金属叉指电极(5)；两个填充孔(4)的孔口均封堵有粘接剂(6)。2.根据权利要求1所述的一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器，其特征在于：柔性上基板(1)和柔性下基板(2)均呈长方形，二者的厚度均小于1mm，二者均采用PDMS制成；两个填充孔(4)的直径均为1mm；液态金属叉指电极(5)的厚度为50μm、相邻两个指部的间距为200μm、每个指部的长度均为1cm、每个指部的宽度均为100μm；粘接剂(6)采用Sil
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Poxy硅胶粘接剂；液态金属叉指电极(5)的两个接线端各连接有一根导线(13)。3.一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器的制备方法，该方法用于制备如权利要求2所述的一种正压力不敏感型叉指电容式应变传感器，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：步骤S1：制备柔性上基板(1)；具体步骤如下：步骤S1.1：选取第一硅片(7)，然后采用光刻工艺在第一硅片(7)的上表面形成叉指型凸起(8)；步骤S1.2：在第一硅片(7)的上表面旋涂第一PDMS层(9)，并保证第一PDMS层(9)将叉指型凸起(8)全部覆盖，然后将第一PDMS层(9)进行固化；步骤S1.3：将固化后的第一PDMS层(9)进行剥离，由此得到下表面开设有叉指型微流控通道(3)的柔性上基板(1)；步骤S1.4：在叉指型微流控通道(3)的两个接线端与柔性上基板(1)的上表面之间各钻设一个上下贯通的填充孔(4)；步骤S2：制备柔性下基板(2)；具体步骤如下：步骤S2.1：选取第二硅片(10)；步骤S2.2：在第二硅片(10)的上表面旋涂第二PDMS层(11)，然后将第二PDMS层(11)进行固化；步骤S2.3：将固化后的第二PDMS层(11)进行剥离，由此得到柔性下基板(2)；步骤S3：将柔性上基板(1)的下表面和柔性下基板(2)的上表面粘合在一...
【专利技术属性】
技术研发人员：张东光，王志民，张杰，杨嘉怡，吴亚丽，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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