[發明專利]一種基于干燥介導自組裝的電阻式柔性應變傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201910158331.0
• 申請日: 2019-02-28
• 公開（公告）號: CN109855526B
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發明（設計）人: 張俊秋;孫濤;韓志武;劉林鵬;牛士超;侯濤;王可軍;陳思琪;王大凱
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11613
• 代理人: 齊勝杰

本發明涉及一種基于膠體粒子干燥介導自組裝形成平行裂紋的電阻式柔性應變傳感器及其制備方法，所述柔性應變傳感器，包括，由下而上依次排列的：柔性基底、敏感層、導電層；所述柔性基底為柔性材料的薄膜；所述敏感層由膠狀分散體干燥產生的薄膜制得；其上表面具有規則裂紋陣列結構；所述導電層上設有一對銅片電極，兩個電極分別位于導電層的兩端；所述電極均引出一條漆包導線。本發明所提供的柔性應變傳感器可以貼于人體皮膚表面或附著在衣物上，實現人體呼吸、脈搏、步態、關節運動等可穿戴式監測。該柔性應變傳感器采用干燥介導法，實現膠體粒子自組裝形成平行裂紋，具備靈敏度高，制備過程快捷高效，制備工藝簡單環保，利于大面積制造，成本低等特點，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種基于干燥介導自組裝的電阻式柔性應變傳感器及其制備方法，屬于柔性傳感器技術。

背景技術

傳感器是一類功能檢測性裝置的總稱，能將外界信息轉化為可視、可讀、可存儲的電信號或其它所需形式的信息輸出。應變傳感器是基于物體受力產生應變并轉化為其它可讀信號的一類傳感器。近年來，傳統的應變傳感器因其自身材料的性質，柔韌性和檢測精度受到了很大的限制，在許多要求柔韌性的新興領域越來越不適應。因此，柔性應變傳感器應運而生。

柔性應變傳感器一種將敏感體機械變形轉換成電學信號的柔性電子器件，能夠附著于表面彎曲、結構復雜的區域，跟隨其實現相應拉伸、彎曲、扭轉等變形，非常方便地對特殊環境和信號進行精確快捷測量，并在人體體征檢(監)測、肢體關節運動、智能電子、智能蒙皮等領域存在廣泛的應用需求，從而引起人們越來越廣泛的關注。近年來，相關領域的研究人員針對該需求制備了多種柔性應變傳感器，主要在柔性基底上涂覆應變敏感材料，通過工作過程中的電阻變化來監測應變行為。就目前的研究來看，一方面，研究人員致力選擇電學性能、機械性能優異的敏感材料來提高應變傳感器的靈敏度與穩定性，如碳納米管、石墨烯、PEDOT:PSS等；另一方面，研究人員通過引入精細微納結構來實現傳感器性能的優化，目前已報道的微納結構包括分層、褶皺、織物、裂紋等。然而，石墨烯、碳納米管等材料的制備復雜，成本較高，限制了柔性應變傳感器的發展。而裂紋結構相較于其他微納結構由于結構簡單信號采集容易備受研究者的青睞。

具有裂紋結構的柔性應變傳感器工作原理為：在柔性基底表面加工出特定尺寸的裂紋，在外部載荷的作用下柔性基底發生微弱形變，導致裂紋兩壁間距發生改變，進而誘導電阻發生改變完成測量。許多科研小組基于此相繼制備了多種具有裂紋結構的柔性應變傳感器，有效地提高了柔性應變傳感器的靈敏度。目前已報道的具有裂紋結構的傳感器主要分為：以彎曲、撕裂、拉伸等機械方式產生尺寸分布不規則的裂紋。但是，裂紋的幾何參數是影響柔性應變傳感器性能的決定性因素之一，工作過程中裂紋結構尺寸不同和分布無序使得該類型傳感器的穩定性、使用壽命大大降低；以光刻、氧化、納米壓印等方法加工出具有規則裂紋結構的模板，再通過模板法將裂紋陣列轉移到柔性基底表面。采用新的加工工藝如光刻、納米壓印等技術，將自發無序的裂紋結構轉變為精確可控的裂紋結構，雖實現了傳感器性能的優化，但具有精細裂紋結構的模具加工難度大，加工周期長，加工成本高，嚴重制約了具有裂紋結構的應變的柔性應變傳感器的商業化進程。因此實現基于裂紋結構的柔性應變傳感器的高效低成本制備技術是實現該類柔性應變傳感器推廣應用的關鍵。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為了解決現有技術的基于裂紋結構的柔性應變傳感器制備周期長，加工困難、技術要求高等技術缺陷，本發明提供一種基于干燥介導自組裝的電阻式柔性應變傳感器及其制備方法，其加工工藝簡單、制備迅速，能夠在柔性基底上加工出平行排列、幾何參數均勻一致的裂紋陣列。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案包括：

一種基于干燥介導自組裝的電阻式柔性應變傳感器，包括，

由下而上依次排列的：柔性基底、敏感層、導電層；