一种柔性应变传感器的制备方法及其传感器技术

本发明专利技术公开了一种柔性应变传感器的制备方法及传感器，属于柔性传感器技术领域，该方法利用静电纺丝技术制备具有三维多孔纤维网络结构的PU纤维薄膜作为基底，通过简单的喷涂工艺在薄膜表面喷涂CB颗粒作为传感层，过导电银胶引入导电胶带作为电极，最后涂附上一层生物相容性较好的Ecoflex作为封装层制备了柔性应变传感器。利用了基底内部的三维多孔纤维结构来吸附CB颗粒构建了敏感、稳定、耐久的导电网络。实现了高灵敏度和宽传感范围间的平衡，最小可检测0.3％的应变，响应时间仅为50ms，稳定性好等优异的综合性能，并且解决了制备工艺复杂以及成本高等问题。复杂以及成本高等问题。复杂以及成本高等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性应变传感器的制备方法及其传感器


[0001]本专利技术涉及柔性传感器
，具体涉及一种柔性应变传感器的制备方法及其传感器。

技术介绍

[0002]随着新型纳米材料的发现以及微纳米技术的发展，柔性电子皮肤目前得到了广泛的应用，其中柔性应变传感器成为了电子皮肤的重要组成部分，能够将外部刺激产生的拉力变化转化为物理信号输出，这种传感器广泛应用于软体机器人、人体运动检测以及可穿戴医疗电子设备领域，可以及时、方便地监测人体健康状况，因此为了满足如今人们在各个方面对传感器的要求，开发出具有优秀灵敏度、拉伸性、稳定性、等综合性能优异的传感器来适应人体皮肤或衣物的弯曲和拉伸具有重要的意义。
[0003]当前，柔性传感器根据其传感机制可以分为电容式、电阻式以及电感式，与其他类型的柔性传感器相比，电阻式柔性传感器具有结构简单、灵敏度高、成本低等优势。广泛的方式是利用导电高分子材料(CPCs)来制备具有特殊结构的电阻式应变传感器，由于其可选择材料的多样性，机电和机械性能可调控等优势，可以设计出具有特殊结构的柔性传感器来满足人们的特殊需求，并且针对不同的应用场景，通过外加应力的作用，导致传感器产生应变而产生电阻的变化的不同而实现对人体或机器人不同动作的捕捉。
[0004]目前，大多数研究人员都是通过在基底的表面引入微结构，进而改变导电材料在基底上的变化形式来提高传感器的性能。但是其制作工艺复杂，成本较高等缺点，且无法实现高灵敏度与宽传感范围之间的平衡。因此，急需一种成本较低、且工艺简单的制备方法来制备出综合性能较强的柔性应变传感器。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出了一种柔性应变传感器的制备方法及其传感器，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
[0006]为了实现上述目的1，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、制备基底层；
[0009]使用质量分数为30％的PU溶液，首先将PU溶剂和DMF溶液混合搅拌，随后使用真空干燥箱抽真空除去搅拌产生的气泡，完成PU溶液的稀释，将稀释后的PU溶液作为静电纺丝液；
[0010]将5ml的静电纺丝液均匀注入到注射器中，设置好针头与收集滚筒之间的距离、堆料速度以及电压值；采用的针头的口径为22G，固定收集滚筒转速为50rpm，并且包裹上一层锡箔纸来均匀收集PU纤维，最后将静电纺丝出的PU薄膜常温下放置24h挥发剩余的DMF溶剂；将PU薄膜裁剪为30mm
×
10mm大小的尺寸，作为传感器的柔性基底层；
[0011]S2、制备嵌入式的传感层；
[0012]以无水乙醇作为溶剂、CB颗粒作为溶质配置质量分数为3％的CB溶液，通过机械搅拌以及超声处理后，使得CB颗粒在无水乙醇中分散均匀，取其上清液装入喷壶中待使用。将静电纺丝完成的PU薄膜裁剪为30mm
×
10mm大小的尺寸，使用喷壶对PU薄膜进行喷涂，以保证CB颗粒在PU纤维上面均匀分散，随后放入烤箱中加热烘干，保证CB颗粒能够牢固的嵌入在多孔的PU纤维薄膜中；
[0013]S3、引入电极并封装传感器；
[0014]在固化完成后的传感层两端涂上导电银胶，然后将铜胶带与其连接好后放入烤箱中，温度调至100℃，5min后使导电银胶固化完成电极的引入，随后采用作为封装材料溶液涂在导电层表面作为封装层，传感器的最终尺寸为20mm
×
10mm。
[0015]进一步地，制备的PU薄膜具有三维多孔纤维网络微结构。
[0016]进一步地，配置静电纺丝溶液时，将PU溶液和DMF溶液以1:1或2:1或3:1的质量比混合搅拌。
[0017]进一步地，制备PU纤维薄膜时，静电纺丝针头与手机滚筒之间的距离为4～10cm，堆料速度设置为0.009～0.012mm/s，电压值设置为7～10kV。
[0018]进一步地，所述CB溶液机械搅拌20min后超声处理1h～2h。
[0019]进一步地，选择的封装材料为Ecoflex溶液。
[0020]进一步地，制备传感层时喷涂CB溶液的次数为2～5次，喷涂完成后放入烤箱在80～100℃下烘干0.6～1.2h。
[0021]为了实现上述目的2，本专利技术采用如下技术方案：
[0022]一种采用上述的制备方法制备的传感器，包括基底层、传感层、电极以及封装层，所述基底层为方形的薄膜，传感器分布在基底层表面或嵌入其中，电极分布在传感层的两端，封装层贴附在传感器部分的表面起到保护作用。
[0023]进一步地，当对传感器施加应力时，基底层产生应变导致嵌入在PU纤维上的CB颗粒发生分离，使传感器导电网络发生破坏，导致传感器的电阻变大。
[0024]进一步地，传感器的灵敏度表达式为：
[0025][0026]其中，ΔR为应变作用下的电阻变化量，ΔR＝R
‑
R0；R0为未产生应变时的初始电阻；ε为应变作用下传感器相对于初始长度的变化量，ε＝(L
‑
L0)/L0。
[0027]本专利技术具有如下有益效果：
[0028]本专利技术提出的一种具有三维多孔纤维网络结构的柔性应变传感器，利用静电纺丝技术制备具有三维多孔纤维网络结构的PU纤维薄膜作为基底，通过简单的喷涂工艺在薄膜表面喷涂CB颗粒作为传感层，过导电银胶引入导电胶带作为电极，最后涂附上一层生物相容性较好的Ecoflex作为封装层制备了柔性应变传感器。利用了基底内部的三维多孔纤维结构来吸附CB颗粒构建了敏感、稳定、耐久的导电网络。实现了高灵敏度和宽传感范围间的平衡，最小可检测0.3％的应变，响应时间仅为50ms，稳定性好(可拉伸
‑
释放2000次)等优异的综合性能，并且解决了制备工艺复杂以及成本高等问题。在应用方面可以用来检测人体面部肌肉和关节的运动，包括面部表情变化、低头抬头、手指、手腕、手肘以及通过声带的振
动大小识别出简单的发声等。在人体关节运动以及精细动作变化检测等方面都具有重要的应用价值。
附图说明
[0029]图1为本专利技术中收集PU纤维的装置图；
[0030]图2为本专利技术中针头与收集器相隔不同距离下静电纺丝制备出的PU纤维薄膜的形貌表征图；其中，(a)为PU
‑
4形貌图；(b)为PU
‑
6形貌图；(c)为PU
‑
8形貌图；(d)为PU
‑
10形貌图；
[0031]图3为本专利技术中制备的PU纤维薄膜的应力
‑
应变曲线图；
[0032]图4为本专利技术中制备的PU纤维薄膜力学性能示意图；
[0033]图5为本专利技术中实施例1
‑
4制备的柔性应变传感器的电学性能测试结果图；
[0034]其中，(a)为柔性应变传感器从原长拉伸200％时的传感器灵敏度曲线图；(b)为柔性应变传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备基底层；使用质量分数为30％的PU溶液，首先将PU溶剂和DMF溶液混合搅拌，随后使用真空干燥箱抽真空除去搅拌产生的气泡，完成PU溶液的稀释，将稀释后的PU溶液作为静电纺丝液；将5ml的静电纺丝液均匀注入到注射器中，设置好针头与收集滚筒之间的距离、堆料速度以及电压值；采用的针头的口径为22G，固定收集滚筒转速为50rpm，并且在收集滚筒上包裹一层锡箔纸来均匀收集PU纤维，最后将静电纺丝出的PU薄膜常温下放置24h挥发剩余的DMF溶剂；将PU薄膜裁剪为30mm
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10mm大小的尺寸，作为传感器的柔性基底层；S2、制备嵌入式的传感层；以无水乙醇作为溶剂、CB颗粒作为溶质配置质量分数为3％的CB溶液，通过机械搅拌以及超声处理后，使得CB颗粒在无水乙醇中分散均匀，取其上清液装入喷壶中待使用；将静电纺丝完成的PU薄膜裁剪为30mm
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10mm大小的尺寸，使用喷壶对PU薄膜进行喷涂，以保证CB颗粒在PU纤维上面均匀分散，随后放入烤箱中加热烘干，保证CB颗粒能够牢固的嵌入在多孔的PU薄膜中；S3、引入电极并封装传感器；在固化完成后的传感层两端涂上导电银胶，然后将铜胶带与其连接好后放入烤箱中，温度调至100℃，5min后使导电银胶固化完成电极的引入，随后采用作为封装材料溶液涂在导电层表面作为封装层，传感器的最终尺寸为20mm
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10mm。2.根据权利要求1所述的一种柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，制备的PU薄膜具有三维多孔纤维网络的微结构。3.根据权利要求1所述的一种柔性应变传感器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄梁松，黄鑫，张鹏，张坤，李玉霞，王硕，步晓飞，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：