[發明專利]一種高拉伸高響應柔性雙模磁性/應變傳感器及其應用

在審

• 申請號: 202210865854.0
• 申請日: 2022-07-22
• 公開（公告）號: CN115326111A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 高永慧;洪煒強;郭小輝;湯茜;張旗;李季
• 申請（專利權）人: 吉林師范大學
• 主分類號: G01D5/12
• 分類號: G01D5/12;G01D5/16;A61B5/11;H01H13/70
• 代理公司: 合肥金律專利代理事務所(普通合伙) 34184
• 代理人: 楊霞

本發明公開了一種高拉伸高響應柔性雙模磁性/應變傳感器及其應用，所述傳感器包括磁性應變敏感材料，該磁性應變敏感材料包括橡膠基體以及均勻分布在橡膠基體中的導電粒子和磁性粒子。本發明所述傳感器為一種同時具有接觸和非接觸式的雙模態傳感器，不僅能夠通過應變的接觸模式受到外界機械刺激，而且還可以通過磁響應的非接觸模式應用于智能產品。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，尤其涉及一種高拉伸高響應柔性雙模磁性/應變傳感器及其應用。

背景技術

隨著柔性電子設備的發展，柔性傳感器在人機交互、智能機器人、生物醫學和電子皮膚等的應用中越來越備受關注。據報道，用于接觸感知和非接觸感知的雙模態設備對于下一代人工智能應用具有重要意義。值得注意的是，盡管對于單一工作模式的應變或者磁場傳感器在柔性電子學已經得到了較快的發展，但它們仍存在來源單一的問題，無法滿足日益增長多功能的需求。因此，要設計出具有接觸和非接觸式的雙模態傳感器，不僅能夠通過應變的接觸模式受到外界機械刺激，而且還可以通過磁響應的非接觸模式應用于智能產品。

目前，大多數報道的應變傳感器對拉伸/彎曲刺激敏感，顯示出單一的機械刺激響應模式，但具有高拉伸性和高靈敏度多模態感知的柔性傳感器已經引起了廣泛關注，其中利用磁性材料制造雙模態柔性應變傳感器的研究較少。現有柔性應變傳感器接觸傳感方面的導電填料包括CB(carbon black，炭黑)、碳納米管和Mxene等材料。由于磁性材料的脆性嚴重干擾了傳感器的長久使用，因此如何將非磁性材料基體與磁性材料顆粒結合，獲得具有磁制動特性的磁復合材料，從而有利于應變傳感器以非接觸方式響應，給予了傳感器磁性/應力耦合傳感特性，這對于目前傳感器的開發具有重要意義。

基于接觸式的應變傳感器雖然可以直接監測來自人體的動作，然而在諸如鍵盤、遙控器、電梯等總是需要人頻繁直接接觸，傳統意義上的接觸傳感和操作上無法避免機械磨損和疲勞制約這些缺點，因此通過接觸式和非接觸式模式實現精準傳感在安檢、智能控制等廣泛領域中被追求。同時，在COVID-19的背景下，處于醫療設備落后的環境中直接接觸生活設備可能會感染細菌和病毒，所以具有超穩定的非接觸式磁性/應變傳感器保護人們免受細菌和病毒的侵害，在下一代人工智能產品中引起廣泛的研究。因此，開發具有雙模態工作模式的柔性磁性/應變傳感器成為了智能電子產品迫切的需求。

發明內容

基于背景技術存在的技術問題，本發明提供了一種高拉伸高響應柔性雙模磁性/應變傳感器及其應用，所述傳感器為一種同時具有接觸和非接觸式的雙模態傳感器，不僅能夠通過應變的接觸模式受到外界機械刺激，而且還可以通過磁響應的非接觸模式應用于智能產品。

本發明提出的一種高拉伸高響應柔性雙模磁性/應變傳感器，包括磁性應變敏感材料，該磁性應變敏感材料包括橡膠基體以及均勻分布在橡膠基體中的導電粒子和磁性粒子。

本發明中，橡膠基體中均勻分布有導電粒子和磁性粒子的磁性應變敏感材料是一種同時具有磁致動特性和應變響應特性的復合材料，當其應用于傳感器中，保證所述傳感器具有應變傳感功能和柔韌性同時，還具有磁性敏感特性，由此得到了一種兼有良好接觸傳感功能和非接觸傳感功能的傳感器。

優選地，所述橡膠基體為硅橡膠，所述導電粒子為炭黑，所述磁性粒子為 Fe₃O₄微粒；

本發明中，硅橡膠作為基體橡膠，固化成型后具有很好的柔韌性，保證了所得磁性應變敏感材料的柔韌性；炭黑作為導電粒子，易于在硅橡膠中分散，賦予所得磁性應變敏感材料良好的應變敏感特性，保證了良好的傳感功能； Fe₃O₄微粒作為磁性粒子，當分散在硅橡膠中時，既賦予磁性應變敏感材料良好的磁致敏感特性，又能促進導電粒子在硅橡膠中的均勻分散，進一步改善了所得磁性應變敏感材料的應變伸長特性，有利于制造出高性能的柔性磁性/應變傳感器。

優選地，所述Fe₃O₄微粒的粒徑為1-10μm，所述炭黑的粒徑為8-500nm。