CN106895931A - 一种高灵敏度且大形变量的柔性应力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种高灵敏度且大形变量的柔性应力传感器及其制造方法。本发明通过使用阳极氧化铝模板在硅橡胶基底上引入团簇的纳米线结构，在其上面喷镀一层金属膜作为导电层，相对于无结构的基底极大地提高了柔性应力传感器的拉伸范围，同时传感器具有极高的灵敏度。本发明的传感器通过中间存在的纳米线结构减缓基底拉伸对顶部金属膜的影响，避免了金属膜贯穿性裂痕的产生和电阻值的急剧上升，从而提高基于金属膜的传感器拉伸范围。本发明的柔性应力传感器具有以下优点：具有大的拉伸范围，最大可以探测130％的形变；极高的灵敏度，灵敏度参数(GaugeFactor)最高达到3.3×107，初始状态最小可探测0.015％的形变；制备流程简单，成本低。

Description

一种高灵敏度且大形变量的柔性应力传感器
技术领域
本发明涉及柔性应力传感器制备工艺，具体涉及一种制备同时具有大拉伸范围和高灵敏度的柔性应力传感器的方法。
背景技术
随着人工智能技术的迅猛发展，人类对人机交流的要求日益提高，具有仿人类触觉、嗅觉、听觉、视觉等感知功能的人造柔性电子器件在这场革命中占据了极其重要的位置。由于柔性应力传感器在探测脉搏、心跳等方面的优势使其在医疗健康领域有广泛的应用前景，成为人造柔性电子器件的核心组成。目前，制造拉力传感器的主流方式是在拉伸过程中将传感器的形变转化为电阻值的变化。其中一种方法是在聚合物中填充导电物质，例如Ag纳米线、碳粉和金属颗粒等，从而获得导电弹性体。另外一种方法是在柔性基底上面嵌入或堆叠导电的结构，例如金属膜、单壁碳纳米管、导电高分子和碳纳米管的复合物等，进而得到具有多层结构的拉力传感器。其中通过在柔性基地上面附着一层具有高导电率的金属膜而制备的具有多层结构的传感器灵敏度最高，然而这种传感器的拉伸范围极小，限制了其发展与应用。因此，迫切需要一种灵敏度高，同时探测形变量大的应力传感器
发明内容
本发明目的在于：提供一种制备过程简单，显著提升基于金属膜的传感器拉伸范围同时兼顾其灵敏度的新方法。通过在柔性基底和金属膜之间引入一层纳米线结构，极大地提升了传感器地拉伸范围，同时保证其具有较高灵敏度。
本发明的具体技术方案如下：
一种柔性应力传感器，包括：
基底，所述基底由柔性材料制成，并且至少一个表面的至少一部分上具有团簇纳米线的结构；
导电层，所述导电层包括形成在所述基底的所述纳米线结构上的高导电率的膜；
所述柔性应力传感器能够在外界拉力作用下发生弹性形变，经过纳米线结构的缓冲，基底的形变传导至表面的金属导电层，从而在其内部产生裂纹，从而导致传感器电阻值随拉伸比例增大而线性增大。
优选地，所述柔性材料为硅橡胶。
优选地，所述纳米线直径为200-600nm，长度为1-6μm，纳米线的中心间距为250-650nm。
优选地，所述导电层包括在所述基底的所述纳米线结构上沉积的金属膜。
优选地，所述金属膜的金属种类包括铂、金、铜、银的一种或多种。
优选地，所述金属膜的厚度为10-1000nm。
本发明提供一种制备根据以上技术方案之一所述的柔性应力传感器的方法，包括以下步骤：
1)配制混合预聚物：将有机硅低聚物、交联剂和改性剂混合；
2)制备具有团簇纳米线的结构的硅橡胶基底：将步骤1)所得液态预聚物滴加到模板上，进行聚合交联固化反应，然后将其浸泡在70-90℃的腐蚀液中2-4小时以去除模板得到团聚的纳米线结构；
3)制备金属导电层：在基底上沉积一层金属膜。
优选地，所述有机硅低聚物为聚合度为60左右的端乙烯基的聚二甲基硅氧烷；所述交联剂为端甲基的聚二甲基硅氧烷；所述改性剂为乙氧基聚乙烯亚胺水溶液。
优选地，所述有机硅低聚物、交联剂和改性剂的比例为(5-10g):(0.5-1g):(10-40μL)。
优选地，所述模板上设置有团簇的孔阵列，所述孔的直径为200-600nm，深度为1-6um，孔中心的间距为250-650nm。
优选地，所述步骤3)所述沉积金属的方法包括低温溅射、蒸发镀膜。
优选地，所述模板为阳极氧化铝模板。
本发明通过使用阳极氧化铝模板在硅橡胶基底上引入团簇的纳米线结构，在其上面喷镀一层金属膜作为导电层，相对于无结构的基底极大地提高了柔性应力传感器的拉伸范围，同时传感器具有极高的灵敏度。本发明的传感器通过中间存在的纳米线结构减缓基底拉伸对顶部金属膜的影响，避免了金属膜贯穿性裂痕的产生和电阻值的急剧上升，从而提高基于金属膜的传感器拉伸范围。本发明的柔性应力传感器具有以下优点：具有大的拉伸范围，最大可以探测130％的形变；极高的灵敏度，灵敏度参数(Gauge Factor)最高达到3.3×107，初始状态最小可探测0.015％的形变；制备流程简单，成本低。
附图说明
图1为本发明的柔性应力传感器的表面结构微观图像。
图2为本发明传感器工作原理示意图。
图3为表面具有不同长度纳米线长度的传感器电阻随拉伸比例的变化，电阻随拉伸比例增大而线性增加。
图4为传感器最大拉伸范围与表面纳米线长度的关系。
图5为纳米线长度为4μm时传感器灵敏度变化情况。
图6为纳米线长度为4μm时传感器梯度拉伸情况。
图7为纳米线长度为4μm时传感器探测最小拉伸比例的梯度拉伸情况。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案予以进一步的说明。
如图1-2所示，根据本发明的一种柔性应力传感器，包括：
基底，所述基底由柔性材料制成，并且至少一个表面的至少一部分上具有团簇纳米线的结构；
导电层，所述导电层包括形成在所述基底的所述纳米线结构上的高导电率的膜。
如图2所示，所述柔性应力传感器能够在外界拉力作用下发生弹性形变，经过纳米线结构的缓冲，基底的形变传导至表面的金属导电层，从而在其内部产生裂纹，从而导致传感器电阻值随拉伸比例增大而线性增大。
优选地，所述柔性材料为硅橡胶。
优选地，所述纳米线直径为200-600nm，长度为1-6μm，纳米线的中心间距为250-650nm。
优选地，所述导电层包括在所述基底的所述纳米线结构上沉积的金属膜。
优选地，所述金属膜的金属种类包括铂、金、铜、银的一种或多种。
优选地，所述金属膜的厚度为10-1000nm。
本发明提供一种制备根据以上技术方案之一所述的柔性应力传感器的方法，包括以下步骤：
1)配制混合预聚物：将有机硅低聚物、交联剂和改性剂混合；
2)制备具有团簇纳米线的结构的硅橡胶基底：将步骤1)所得液态预聚物滴加到模板上，进行聚合交联固化反应，然后将其浸泡在70-90℃的腐蚀液中2-4小时以去除模板得到团聚的纳米线结构；
3)制备金属导电层：在基底上沉积一层金属膜，通过导线连接与皮安计(吉时利6487)电极相连，在5V电压下测量其电阻值。
优选地，所述有机硅低聚物为聚合度为60左右的端乙烯基的聚二甲基硅氧烷；所述交联剂为端甲基的聚二甲基硅氧烷；所述改性剂为乙氧基聚乙烯亚胺水溶液。
优选地，所述有机硅低聚物、交联剂和改性剂的比例为(5-10g):(0.5-1g):(10-40μL)。
优选地，所述步骤3)所述沉积金属的方法包括低温溅射、蒸发镀膜。
优选地，所述模板为阳极氧化铝模板。
实施例1
本发明通过使用阳极氧化铝模板在硅橡胶基底上引入团簇的纳米线结构(如图1)，在其上面喷镀一层金属膜作为导电层，从而达到兼顾基于金属膜的传感器灵敏度和拉伸范围的目的。具体步骤如下：
(1)取有机硅低聚物10g、交联剂0.5g和改性剂40μL，搅拌混合均匀；
(2)取少量所得混合物滴加到孔直径为200nm，孔深为1μm，孔中心间距为250nm的阳极氧化铝模板上，静置半小时，在110℃温度下进行聚合交联固化反应4小时，然后将其浸泡在70-90℃的腐蚀液中2-4小时以去除模板，得到表面具有直径为200nm，长度为1μm，中心间距为250nm的团簇纳米线结构的硅橡胶基底；
(3)使用低温溅射基底上沉积一层厚90nm的金属铂，即可得到本发明所述传感器。
实施例2
本发明通过使用阳极氧化铝模板在硅橡胶基底上引入团簇的纳米线结构(如图1)，在其上面喷镀一层金属膜作为导电层，从而达到兼顾基于金属膜的传感器灵敏度和拉伸范围的目的。具体步骤如下：
(1)取有机硅低聚物10g、交联剂1g和改性剂30μL，搅拌混合均匀；
(2)取少量所得混合物滴加到孔直径为400nm，孔深为4μm，孔中心间距为450nm的阳极氧化铝模板上，静置半小时，在110℃温度下进行聚合交联固化反应4小时，然后将其浸泡在70-90℃的腐蚀液中2-4小时以去除模板，得到表面具有直径为400nm，长度为4μm，中心间距为450nm的团簇纳米线结构的硅橡胶基底；
(3)在基底上通过蒸发蒸镀沉积一层厚1000nm的金属金，即可得到本发明所述传感器。
实施例3
本发明通过使用阳极氧化铝模板在硅橡胶基底上引入团簇的纳米线结构(如图1)，在其上面喷镀一层金属膜作为导电层，从而达到兼顾基于金属膜的传感器灵敏度和拉伸范围的目的。具体步骤如下：
(1)取有机硅低聚物10g、交联剂0.5g和改性剂40μL，搅拌混合均匀；
(2)取少量所得混合物滴加到孔直径为600nm，孔深为6μm，孔中心间距为650nm的阳极氧化铝模板上，静置半小时，在110℃温度下进行聚合交联固化反应4小时，然后将其浸泡在70-90℃的腐蚀液中2-4小时以去除模板，得到表面具有直径为600nm，长度为6μm，中心间距为650nm的团簇纳米线结构的硅橡胶基底；
(3)使用电镀基底上沉积一层厚10nm的金属银，即可得到本发明所述传感器。
图4是实施例1中的传感器最大拉伸范围与表面纳米线长度的关系。图5是实施例1中的方法制备的纳米线长度为4μm时传感器灵敏度变化情况。图6为实施例1中的方法制备的纳米线长度为4μm时传感器梯度拉伸情况。图7为实施例1中的方法制备的纳米线长度为4μm时传感器探测最小拉伸比例的梯度拉伸情况。从以上各图可以看出，该产品同时具有大拉伸范围和高灵敏度。
当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种柔性应力传感器，包括：
基底，所述基底由柔性材料制成，并且至少一个表面的至少一部分上具有团簇纳米线的结构；
导电层，所述导电层包括形成在所述基底的所述纳米线结构上的高导电率的膜；
所述柔性应力传感器能够在外界拉力作用下发生弹性形变，其电阻值随着所述弹性形变而变化。
2.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于，所述柔性材料为硅橡胶。
3.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于，所述纳米线直径为200-600nm，长度为1-6μm，纳米线中心的间距为250-650nm。
4.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于，所述导电层包括在所述基底的所述纳米线结构上沉积的金属膜。
5.根据权利要求4所述的柔性应力传感器，其特征在于，所述金属膜的金属种类包括铂、金、铜、银的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的柔性应力传感器，其特征在于，所述金属膜的厚度为10-1000nm。
7.一种制备根据权利要求1-6之一所述的柔性应力传感器的方法，包括以下步骤：
1)配制混合预聚物：将有机硅低聚物、交联剂和改性剂混合；
2)制备具有团簇纳米线的结构的硅橡胶基底：将步骤1)所得液态预聚物滴加到模板上，进行聚合交联固化反应，然后将其浸泡在70-90℃的腐蚀液中2-4小时以去除模板得到团聚的纳米线结构；
3)制备金属导电层：在基底上沉积一层金属膜。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述有机硅低聚物为聚合度为60左右的端乙烯基的聚二甲基硅氧烷；所述交联剂为端甲基的聚二甲基硅氧烷；所述改性剂为乙氧基聚乙烯亚胺水溶液。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述有机硅低聚物、交联剂和改性剂的比例为(5-10g):(0.5-1g):(10-40μL)。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述模板上设置有均匀的孔阵列，所述孔的直径为200-600nm，深度为1-6um，孔中心的间距为250-650nm。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述模板为阳极氧化铝模板。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤3)所述沉积金属的方法包括低温溅射、蒸发镀膜。
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