基于同种导电材料的柔性应变传感器及其制备方法

摘要

本发明公开了基于同种导电材料的柔性应变传感器及其制备方法，该传感器包括传感区、连接区、封装层以及柔性基底。相比于现有的同类型传感器，本发明的传感器的特点在于传感区和连接区使用同种导电材料制备，并通过调节不同区域的尺寸结构满足基于同种导电材料的传感器的传感区和连接区的设计规则。所述传感器基于丝网印刷工艺，将炭黑‑硅橡胶复合导电浆料在织物基材上一步印刷完成传感器的制备。该方法操作简便、制作成本低、适合大规模生产，所制备的传感器具有高灵敏度(≈10)、大应变范围(～100％)、低滞后性和良好的稳定性，可应用于人体运动检测、智能医疗服务等领域。本发明的传感器制备方法对柔性应变传感器的工业生产具有重要的参考价值。

权利要求

1.基于同种导电材料的柔性应变传感器，柔性应变传感器为层状结构，其特征在于，包括：柔性基底，位于柔性基底上的传感区和连接区，用于保护传感区的封装层；

传感区和连接区采用同一种导电材料制备而成，传感区和连接区的尺寸大小和形状结构满足：柔性应变传感器在发生形变时，柔性应变传感器的电阻值变化由传感区决定，连接区的电阻值能够忽略不计，连接区仅用于连接传感区和外部设备；

传感区为多个矩形迂回连接，连接区为一个矩形，传感器受到变形时传感区的应变程度大于连接区；

传感区和连接区使用的导电材料均为炭黑和硅橡胶混合成的复合导电浆料；

传感区的长宽比大于连接区的长宽比。

2.根据权利要求1所述的基于同种导电材料的柔性应变传感器，其特征在于，传感区和连接区通过丝网印刷工艺一步印刷完成。

3.根据权利要求1所述的基于同种导电材料的柔性应变传感器，其特征在于，所述复合导电浆料是体积分数为9％的炭黑‑硅橡胶复合导电材料。

4.根据权利要求1所述的基于同种导电材料的柔性应变传感器，其特征在于，传感区的有效长度为220mm，宽度为2mm；连接区的有效长度为20mm，宽度为20mm。

5.权利要求1‑4中任一项所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1、使用同种复合导电材料对传感区和连接区进行设计，设计规则为传感器在发生形变时，传感器的电阻值变化由传感区决定，连接区的电阻值忽略不计，连接区只起到连接传感区和外部设备的作用；

S2、传感器的传感区和连接区使用同种复合导电材料一步印刷完成制备，然后在传感区上涂上一层硅橡胶作封装保护层，在连接区安装与外部设备连接的配件。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中将传感器的电阻变化表征为：其中，ΔR为传感器的电阻变化值，R0为传感器的初始电阻值，Rs0代表传感区的初始电阻值，Rc0代表连接区的初始电阻值，εs为传感区的应变值，εc为连接区的应变值，GFs为传感区的灵敏度，GFc为连接区的灵敏度；

通过设计使传感器的参数满足三个条件：Rs0＞＞c0,且GFs≥GFc,εs≥εc。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S2在连接区安装金属按扣作为与外部设备连接的配件。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，传感区和连接区的尺寸限定条件为：其中Ws、Wc分别为传感区、连接区的宽度，Ls、Lc分别为传感区、连接区的长度。

说明书

基于同种导电材料的柔性应变传感器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于传感器技术领域，具体涉及基于同种导电材料的柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

[0002] 应变传感器是将外部机械信号转化为电信号的器件，器件在外力作用下产生形变，从而引起内部传感材料电学性能变化来实现传感。传统应变传感器大多是由金属和半导体材料制备而成，由于其拉伸应变范围窄，不易弯曲等缺点，难以应用在复杂界面上。柔性应变传感器因其超薄度、低模量、高柔韧性和高延展性等优点，可附着在复杂的曲面形状，比起传统金属传感器能适用于更多、更复杂的应用环境，引起研究者的广泛关注。目前，柔性应变传感器通常被集成在可穿戴设备上，在医疗健康、人体运动检测、软机器人以及人机交互等领域有着重要应用。

[0003] 电阻式应变传感器因其制造简便、成本低、稳定性强等优点，成为柔性应变传感器的主流。一个经典的电阻式应变传感器应该由传感区域和连接区域串联组成，传感器的电阻变化△R和初始电阻R0由这两部分决定。各种材料、形状结构被设计来构建传感器的传感区域和连接区域，以提高传感区的灵敏度和测量范围并最大程度降低连接区的电阻贡献。然而，要保证局部的灵敏度和耐用性，连接区的材料应该具有高导电性和稳定的机械性能。
传统的设计方法是以碳纳米材料作为传感区，金属薄膜作为连接区，金属薄膜具有超高导电性且机械性能稳定，但是金属材料一般价格昂贵。为了使用碳基材料取代金属材料作为连接区以降低成本并且具有金属连接相当的性能，也有研究人员使用碳黑掺杂聚二甲基硅氧烷作为传感区，因为它具有高电阻率和对应变的强依赖性，而碳纳米管掺杂聚二甲基硅氧烷作为连接区，因为它的电阻率相对较低且对应变的依赖性较弱。

[0004] 然而上述方法都需要多步骤操作，制作成本高，且不同的材料需要多次干燥固化，增加了工艺的复杂性，不利于柔性应变传感器的大规模生产。因此，如何促进柔性应变传感器的简易低成本制作是实现传感器大规模生产的技术壁垒。

发明内容

[0005] 针对现有技术的发展状况，本发明提供了基于同种导电材料的柔性应变传感器及其制备方法，旨在解决柔性应变传感器制作工艺复杂、难以实现大规模生产的问题。

[0006] 一方面，本发明传感器采用的技术方案如下：基于同种导电材料的柔性应变传感器，柔性应变传感器为层状结构，包括：柔性基底，位于柔性基底上的传感区和连接区，用于保护传感区的封装层；

[0007] 传感区和连接区采用同一种导电材料制备而成，传感区和连接区的尺寸大小和形状结构满足：柔性应变传感器在发生形变时，柔性应变传感器的电阻值变化由传感区决定，连接区的电阻值忽略不计，连接区仅用于连接传感区和外部设备。

[0008] 在优选的实施例中，传感区为多个矩形迂回连接，连接区为一个矩形，传感器受到变形时传感区的应变程度大于连接区。

[0009] 另一方面，本发明的制备方法采用如下技术方案：基于同种导电材料的柔性应变传感器的制备方法，包括步骤：

[0010] S1、使用同种复合导电材料对传感区和连接区进行设计，设计规则为传感器在发生形变时，传感器的电阻值变化由传感区决定，连接区的电阻值忽略不计，连接区仅起到连接传感区和外部设备的作用；

[0011] S2、传感器的传感区和连接区使用同种复合导电材料一步印刷完成制备，然后在传感区上涂上一层硅橡胶作封装保护层，在连接区安装与外部设备连接的配件。

[0012] 在优选的实施例中，步骤S1中将传感器的电阻变化表征为：

[0013]

[0014] 其中，ΔR为传感器的电阻变化值，R0为传感器的初始电阻值，Rs0代表传感区的初始电阻值，Rc0代表连接区的初始电阻值，εs为传感区的应变值，εc为连接区的应变值，GFs为传感区的灵敏度，GFc为连接区的灵敏度；

[0015] 通过设计使传感器的参数满足三个条件：Rs0＞＞Rc0，且GFs≥GFc，εs≥εc。

[0016] 与现有的技术相比，本发明的有益效果包括：

[0017] 1、本发明的传感器使用同一种导电材料制作传感区和连接区，提供了一步印刷完成制作的简易操作方法，不需要额外制备电极，大大节省了生产的时间成本。

[0018] 2、本发明的传感器具有良好的稳定性、可重复性，在50％应变循环10000次后，传感器仍然可以正常工作，这为传感器的长期使用提供了性能支撑。

[0019] 3、本发明的传感器使用金属纽扣作为电气连接，方便集成于外部设备，提高了可穿戴设备的集成度，并且金属纽扣不易滑动，降低了传感器在测试中的噪声干扰。

[0020] 4、本发明采用丝网印刷技术，可以实现传感器的大规模生产，具有极高的商业价值和产业化前景。

附图说明

[0021] 图1为本发明实施例中的柔性应变传感器的结构示意图。

[0022] 图2为本发明实施例中的柔性应变传感器的层次剖面图。

[0023] 图3为本发明实施例中的柔性应变传感器的ΔR/R～Strain(％)图。

[0024] 图4为本发明实施例中的柔性应变传感器的ΔR/R～Time(s)图。

[0025] 图5为本发明实施例中的柔性应变传感器的手指弯曲检测图。

[0026] 图中：1是柔性基底，2是传感区，3是连接区，4是封装层，5是金属按扣，6是导线。

具体实施方式

[0027] 下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明的实施方式并不限于此。

[0028] 结合图1和2，本实施例中柔性应变传感器为层状结构，包括位于底层的柔性基底1，位于柔性基底1上的传感区2和连接区3，用于保护传感区2的封装层4以及用于电气连接的配件，配件包括金属纽扣5和导线6。传感区和连接区为中间层，封装层为顶层。

[0029] 所述传感区和连接区都由同一种导电材料制备，基于同种导电材料传感器的制备可通过丝网印刷工艺一步印刷完成，而不需要分步来完成。也就是说，传感区和连接区使用同种导电材料制备，可通过调节传感区和连接区的尺寸大小和形状结构满足基于同种导电材料的传感器的设计规则。

[0030] 在一种实施例中，柔性基底1采用高弹性织物，即为软性织物基底；封装层4采用硅橡胶。传感区2设计成多个细矩形迂回连接，连接区3设计为一个大矩形，保证传感区和连接区两个区域在变形时的应变程度一致，同时也增大了传感区的有效长宽比。传感区2的有效长度为220mm，宽度为2mm；连接区3的有效长度为20mm，宽度为20mm。传感区和连接区使用的导电材料皆是体积分数为9％的炭黑‑硅橡胶复合导电材料，即导电材料是由炭黑和硅橡胶混合成的复合导电浆料，因为传感器的长宽比不仅与电阻初值成正比，还与灵敏度相关，增大长宽比可提高传感器的灵敏度。已知传感区的长宽比大于连接区，因此灵敏度GFs＞GFc；GFs为传感区的灵敏度，GFc为连接区的灵敏度。

[0031] 全印刷柔性应变传感器的性能测试如下：

[0032] (1)结合图3，测试传感器的最大工作范围和灵敏度。使用电子万能试验机，将传感器的一端固定，另一端以1mm/s的速度拉伸至100％，然后释放拉力至传感器恢复初始状态。电阻的测量是通过两端的金属纽扣连接导线至电阻测量设备，电阻测量设备为
Keithley2700。根据公式可计算灵敏度GF＝(ΔR/R0)/ε＝9.6，且传感器在拉伸100％释放后电阻恢复到初始值，无滞后现象，说明传感器在100％的应变范围内仍保持最佳的性能。

[0033] (2)结合图4，测试传感器的长期稳定性和重复性。使用电子万能试验机，固定传感器的一端然后另一端以1mm/s的速度拉伸至50％，循环拉伸10000次，使用Keithley2700测量传感器的电阻。测试结果显示在刚开始的循环拉伸中传感器的电阻会逐渐上升，但之后趋于稳定。并且在10000次拉伸后传感器仍然可以正常工作。

[0034] (3)结合图5，测试手指弯曲的常见人体肢体运动信号。将该全印刷柔性应变传感器贴紧在食指关节上，将两根导电线一端连接在两个金属按扣上，另一端接入电阻测量设备Keithley2700进行测试。从图中可以看出，当手指弯曲时，会导致贴在关节处的传感器发生形变从而出现电阻变化。当手指伸直时，电阻恢复至初始值，且手指弯曲的程度越大，电阻响应的幅值越高。可见该柔性应变传感器可对不同程度的肢体运动进行快速响应。

[0035] 本实施例中柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

[0036] S1、使用同种复合导电材料对传感区和连接区进行设计，设计规则为传感器在发生形变时，传感器的电阻值变化由传感区决定，连接区的电阻值可忽略不计，连接区仅起到连接传感区和外部设备的作用。

[0037] 实现过程如下：

[0038] ①传感器的主要组成部分是传感区和连接区，传感器的电阻变化可表征为：

[0039]

[0040] 其中，ΔR为传感器的电阻变化值，R0为传感器的初始电阻值，Rs代表传感区的电阻值，Rc代表连接区的电阻值。

[0041] ②传感器的电阻变化又可以表示为：

[0042]

[0043] 其中，GF为传感器的灵敏度，ε为传感器的应变值，公式变换得到：ΔR＝GFεR0。

[0044] ③联合①②中公式，传感器的电阻变化表征为：

[0045]

[0046] 在一个具体实施例中，要满足传感器在应变下的电阻变化取决于传感区，则要求GFsεsRs0＞＞GFcεcRc0，在这三个变量中，R0是最容易控制的变量，因此只要保证Rs0＞＞Rc0，且GFs≥GFc，εs≥εc即可。Rs0代表传感区的初始电阻值，Rc0代表连接区的初始电阻值，εs为传感区的应变值，εc为连接区的应变值。

[0047] 本发明的柔性应变传感器满足欧姆定律，即 其中ρ表示复合材料的电阻率，L、W、t分别表示传感器的长、宽和厚度。可知传感器的长宽比与电阻值成正比，传感区和连接区采用同种复合导电材料保证了ρs＝ρc，且厚度ts＝tc，因此要使Rs0＞＞Rc0，至少需要保证 即 理论上传感区的长宽比越大，传感区在传感器中的电阻贡献值越高，越能忽略连接区的电阻影响。但增大传感区的长宽比同时需要增大传感器的大小，不利于传感器的小型化，因此考虑柔性应变传感器的最大规格，给出尺寸限定条件：
其中Ws、Wc分别为传感区、连接区的宽度，Ls、Lc分别为传感区、连接区的长度。

[0048] 传感区设计成多个细矩形迂回连接，连接区设计为一个大矩形，迂回的细矩形结构受力时更容易造成应力集中，保证传感器在变形时的传感区的应变程度大于连接区，即εs＞εc，满足εs≥εc的条件。

[0049] 在优选的实施例中，传感区的有效长度为220mm，宽度为2mm，所述连接区的有效长度为20mm，宽度为20mm。传感区的长宽比是连接区的110倍，满足设计规则。

[0050] 所述传感区和连接区使用的导电材料皆为炭黑‑硅橡胶复合导电材料，体积分数为9％，因为传感器的长宽比不仅与电阻初值成正比，还与灵敏度相关，增大传感器的长宽比可提高传感器的灵敏度。传感区和连接区的尺寸设计已满足GFs≥GFc的条件。

[0051] 总的来说，传感区和连接区的设计规则满足传感器在应变下的电阻变化取决于传感区而忽略连接区的电阻贡献，传感器的参数需满足三个条件：Rs0＞＞Rc0，且GFs≥GFc，εs≥εc。

[0052] S2、传感器的传感区和连接区使用同种导电材料通过丝网印刷工艺一步印刷完成制备，然后在传感区上涂上一层硅橡胶作封装保护层，在连接区通过导电凝胶安装金属按扣作为与外部设备连接的配件，即可完成整个传感器的制备。

[0053] 在一个实施例中，基于丝网印刷工艺，将炭黑‑硅橡胶复合导电浆料在织物基材上一步印刷完成传感器的制备。

[0054] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。