一种双模柔性应变传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种双模柔性应变传感器及其制备方法，双模柔性应变传感器包括传感层以及分别紧密设置于传感层上表面和下表面的上柔性衬底层和下柔性衬底层；传感层采用由MWCNTs、GR、SR和Fe3O4制备而成的磁性纳米复合材料，上柔性衬底层和下柔性衬底层采用塑性止水材料；传感层的两端分别设有第一柔性电极层和第二柔性电极层，第一柔性电极层和第二柔性电极层分别连接有电极导线。本发明专利技术基于蝎子脚狭缝微观结构的启示，通过制备特定的纳米复合材料实现具有应变和磁场识别特性的双模柔性应变传感器，制备工艺简单，有利于建立稳定的协同导电网络，有效提升传感器的性能，并增加传感器的传感模态。传感器的传感模态。传感器的传感模态。

【技术实现步骤摘要】
一种双模柔性应变传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电阻式柔性应变传感器领域，特别是一种基于蝎子脚狭缝微结构和纳米复合材料的高性能双模柔性应变传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着可穿戴电子设备的快速发展，基于柔性传感器已经显示出了广泛的潜在应用前景，如电子皮肤、健康监测、智能机器人等。目前，传感器通过监测响应信号来检测外界的各种刺激，包括应变、压力等。柔性传感器主要有应变传感器、磁场传感器和压力传感器，它们只能检测到外部的应变刺激、磁场刺激和压力刺激，存在信号来源单一的检测问题，不能满足逐渐增加的多模态响应需求。因此，通过低成本和简单工艺制备出具有高性能的双模柔性应变传感器仍然是一个艰巨的挑战。
[0003]电阻式柔性应变传感器将外界的刺激转化为电阻信号输出，它的读写机制简单，是可穿戴电子器件的理想候选者。在此，将应变响应、磁响应集成到一个可拉伸应变传感器上，不仅可以实现双模工作模式的传感响应，还可以避免额外的传感设备部件，这对于低成本和便捷获得响应信号的传感器有极大价值。现有两种设计策略提升传感器性能和双模响应，分别为选择合适制备材料和结构图案设计。然而，使用导电纳米材料制备的传感器其传感模式单一，这限制了它们作为应变传感器的大规模应用。而采用微结构的应变传感器存在应变检测下限较高和工艺较复杂，无法满足简单制备微应变的检测需求。因此，迫切的需要开发一种低应变检测下限、高灵敏度和制备工艺简单的多模可拉伸应变传感器。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种双模柔性应变传感器及其制备方法，基于蝎子脚狭缝结构和纳米复合材料，提出具有应变和磁场识别特性的双模柔性应变传感器，制备工艺简单，有利于建立稳定的协同导电网络，有效提升传感器的性能，并增加传感器的传感模态。本专利技术采用的技术方案如下。
[0005]一方面，本专利技术提供一种双模柔性应变传感器，包括传感层，以及分别紧密设置于传感层上表面和下表面的上柔性衬底层和下柔性衬底层；
[0006]所述传感层采用由MWCNTs、GR、SR和Fe3O4制备而成的磁性纳米复合材料制成，所述上柔性衬底层和下柔性衬底层采用塑性止水材料制成；
[0007]所述传感层的两端分别设有第一柔性电极层和第二柔性电极层，所述第一柔性电极层和第二柔性电极层分别连接有电极导线。
[0008]可选的，所述第一柔性电极层和第二柔性电极层采用导电银胶制备，并分别涂设于所述传感层两端部的表面；
[0009]所述第一柔性电极层和第二柔性电极层采用SR材料制备，并涂设于所述第一柔性电极层、第二柔性电极层和传感层的表面。
[0010]可选的，所述传感层的一面上，沿传感层长度方向设有多个凹槽，所述凹槽将传感
层表面隔成多个分区；
[0011]所述传感层的另一面的两端分别涂设所述第一柔性电极层和第二柔性电极层。凹槽的设置可提升传感层的灵敏度。在传感器制备完成后，各凹槽将被上柔性衬底层和下柔性衬底层填充。
[0012]可选的，所述多个凹槽均布设置于传感层长度方向上，将传感层表面隔成多个相同大小的长方形分区；
[0013]所述第一柔性电极层和第二柔性电极层的为相同形状且大小相等。此结构设计能够在提升传感层抗折弯拉伸性能的基础上，保障传感层整体结构的规律和一致性，尽量少的对传感层中微结构图案造成破坏。
[0014]可选的，用于制备所述传感层的所述磁性纳米复合材料，包括以下质量份数的原料组成：MWCNTs 1份，GR 1～5份，SR 5～40份，Fe3O
4 5～40份。
[0015]可选的，所述磁性纳米复合材料的原料组成中，MWCNTs与GR的质量分数比为1:2。在此配比下，传感层在应变条件下既具有优良的导电网络，也具有较大的相对电阻变化。
[0016]可选的，所述磁性纳米复合材料的原料组成中，Fe3O4与SR的质量份数比为1:1。在此配比下，传感层具有更优异的抗拉能力。
[0017]第二方面，本专利技术提供一种第一方面所述双模柔性应变传感器的制备方法，包括：
[0018]S1，将预设质量份数的MWCNTs和GR加入到二甲基溶液中，使MWCNTs和GR在二甲基溶液中分散均匀；
[0019]S2，将预设质量份数的Fe3O4和SR加入至步骤S1制得的混合液中，混合均匀并加热反应设定时长，获得磁性纳米复合材料；
[0020]S3，将S2制得的磁性纳米复合材料，通过预制的传感层模具成型、固化并脱模，得到所述传感层；
[0021]S4，将导电银胶溶液均匀涂在所述传感层的两端部表面，作为所述第一柔性电极层和第二柔性电极层，并分别连接电极导线；
[0022]S5，在经S4处理后的传感层上表面和下表面分别涂敷SR，将成型后的SR作为所述上柔性衬底和下柔性衬底，得到所述双模柔性应变传感器。
[0023]在一种实施方式中，制备单个双模柔性应变传感器时，所述MWCNTs、GR、Fe3O4、SR的质量分别为：0.1g、0.2g、2g、1g，二甲基溶液为16ml。根据该实施方式中的组分比例及溶液量，可推导其它实施方式下的组分质量和二甲基溶液量。
[0024]可选的，制备方法中：
[0025]步骤S1通过超声分散及搅拌1h，使MWCNTs和GR在二甲基溶液中分散均匀；
[0026]步骤S2中，搅拌和加热1h，获得磁性纳米复合材料。
[0027]可选的，所述预制的传感层模具包括多个沿同一直线排列的凹陷部；
[0028]步骤S3中，所述通过预制的传感层模具成型、固化，包括，将S2制得的部分磁性纳米复合材料注入传感层模具的各凹陷部内，抽气并干燥设定时长；在各凹陷部上方以及相邻凹陷部的连接处，旋涂S2制得的磁性纳米复合材料，然后加热、固化设定时长。上述凹陷部可为长方体形状或者其他形状，传感层模具可采用PLA材料通过高精度的3D打印机制得。
[0029]有益效果
[0030]本专利技术的双模柔性应变传感器基于蝎子脚狭缝微结构启发，将磁性材料嵌入导电
纳米材料中制成应变传感器的传感层，有利于建立稳定的协同导电网络，有效提升传感器的性能，并增加传感器的传感模态；
[0031]传感层的磁性纳米复合材料中，由于导电MWCNTs、GR、Fe3O4填料在SR中具有良好的分散性并与SR基质的相互作用，受益于材料之间的协同效应，本专利技术的双模柔性应变传感器能够具有稳定的信号输出，可检测拉伸应变范围更宽，响应时间快，灵敏度高，还具有优异的耐久性；
[0032]同时，本专利技术的制备方法简单，易于推广应用，且其卓越的性能使它能够精确感知手语姿势、探知迎面而来的物体和速度、全方位实时监测日常生活中人体各种动作和微表情等，有巨大潜力应用于诸如手语翻译、非接触式智能控制和电子皮肤等领域。
附图说明
[0033]图1所示为本专利技术一种实施例中双模柔性应变传感器的整体结构示意图；
[0034]图2所示为本专利技术一种实施例中双模柔性应变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双模柔性应变传感器，其特征是，包括传感层，以及分别紧密设置于传感层上表面和下表面的上柔性衬底层和下柔性衬底层；所述传感层采用由MWCNTs、GR、SR和Fe3O4制备而成的磁性纳米复合材料制成，所述上柔性衬底层和下柔性衬底层采用塑性止水材料制成；所述传感层的两端分别设有第一柔性电极层和第二柔性电极层，所述第一柔性电极层和第二柔性电极层分别连接有电极导线。2.根据权利要求1所述的双模柔性应变传感器，其特征是，所述第一柔性电极层和第二柔性电极层采用导电银胶制备，并分别涂设于所述传感层两端部的表面；所述第一柔性电极层和第二柔性电极层采用SR材料制备，并涂设于所述第一柔性电极层、第二柔性电极层和传感层的表面。3.根据权利要求1所述的双模柔性应变传感器，其特征是，所述传感层的一面上，沿传感层长度方向设有多个凹槽，所述凹槽将传感层表面隔成多个分区；所述传感层的另一面的两端分别涂设所述第一柔性电极层和第二柔性电极层。4.根据权利要求3所述的双模柔性应变传感器，其特征是，所述多个凹槽均布设置于传感层长度方向上，将传感层表面隔成多个相同大小的长方形分区；所述第一柔性电极层和第二柔性电极层的为相同形状且大小相等。5. 根据权利要求1所述的双模柔性应变传感器，其特征是，用于制备所述传感层的所述磁性纳米复合材料，包括以下质量份数的原料组成：MWCNTs1份，GR1~5份，SR5~40份，Fe3O45~40份。6.根据权利要求5所述的双模柔性应变传感器，其特征是，所述磁性纳米复合材料的原料组成中，MWCNTs与GR的质量分数比为1:2。7.根据权利要求5所述的双模柔性应变传感器，其特征是，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王景溢，郑国庆，毛善安，
申请(专利权)人：中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心，
类型：发明
国别省市：