[发明专利]具有高灵敏度和大应变响应的应变传感器及其制备方法

说明书

本发明属于应变传感器领域，具体涉及一种具有大应变响应和超高灵敏度的应变传感器及其制备方法。本发明提供一种柔性应变传感器，所述传感器包括柔性基体、覆盖于柔性基体表面的导电涂层以及导线固定单元和一对电极，其中，所述柔性基体为纤维，所述导电涂层表面具有均匀分布的裂缝‑褶皱微结构。本发明通过在导电涂层上构筑微结构，满足传感器在使用过程中较大拉伸应变下高灵敏度的要求。

技术领域

本发明属于应变传感器领域，具体涉及一种具有大应变响应和超高灵敏度的应变传感器及其制备方法。

背景技术

基于金属箔、金属氧化物或半导体制备的传统应变传感器，由于韧性差，材料在使用过程中的应变响应范围十分有限(应变＜5％)；当材料经受较大应变时，体系中导电通路往往发生不可逆转的破坏，这使其在可穿戴设备中的应用受到极大限制。

近年来，基于宽幅的应变响应范围，良好的响应重复性及快速的应变响应速率的柔性应变传感器在人体健康监测、电子皮肤、可穿戴柔性电子运动检测等领域受到了研究者们的广泛关注。然而，已报道的可拉伸应变传感器中普遍存在着高拉伸性/低灵敏度和低拉伸性/高灵敏度的矛盾，这极大限制了材料在市场上的广泛推广与应用。换而言之，制备兼具良好的拉伸性(应变＞50％)和较高的响应灵敏度(灵敏因子GF＞100)的应变传感器仍是该领域的一大挑战。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种兼具良好拉伸性(具有大应变响应)和高灵敏度的应变传感器，所得应变传感器同时拥有较大的应变响应范围(ε＞600％)和高的灵敏度(GF＞10⁴)。且本传感器加工方法简单，成本低，材料响应重复性好，实际使用时适用性强，可大规模生产。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种柔性应变传感器，所述传感器包括柔性基体、覆盖于柔性基体表面的导电涂层以及导线固定单元和一对电极，其中，所述柔性基体为纤维，所述导电涂层表面具有均匀分布的裂缝-褶皱微结构(即裂缝结构和褶皱结构并存的结构)。

进一步，所述纤维包括：聚酯纤维(涤纶)、聚酰胺纤维(锦纶或尼龙)、聚乙烯醇纤维(维纶)、聚丙烯腈纤维(腈纶)、聚丙烯纤维(丙纶)、聚氯乙烯纤维(氯纶)、聚氨酯纤维(氨纶)、棉纤维、黏胶纤维、醋酸纤维、铜氨纤维、亚麻纤维、苎麻纤维、黄麻纤维、竹纤维、剑麻纤维或蕉麻纤维中的至少一种。

优选的，所述纤维为聚氨酯(PU)纤维。

进一步，所述纤维的细度为15～3000D，直径为10～700μm。本发明中，细度单位D，旦尼尔，指得是在标准状况下，9000米长的纤维的重量，比如9000米长的纤维重150克，则定义为150D。本发明限定纤维的细度和直径在上述范围内，纤维的弹性比较好，拉伸性能比较好，才能构筑出来理想的裂缝-褶皱结构。

进一步，所述导电涂层采用下述方式制得：将溶胀的纤维放入液态导电涂料中，经过超声处理在纤维表面形成导电涂层。

更进一步，所述导电涂料为掺杂型导电涂料，包括：石墨烯导电涂料、碳纳米管导电涂料、炭黑导电涂料、石墨导电涂料、银纳米线导电涂料、金属导电涂料或金属氧化物导电涂料中的至少一种。

掺杂型导电涂料是指以高分子聚合物为基础加入导电物质，利用导电物质的导电作用，使涂层电导率达到1×10¹²Ω·m以下。

优选的，所述导电涂料为碳纳米管涂料。

更优选的，所述导电涂层的表面电阻率为30～10¹⁰Ω/□，涂层厚度为1～20μm。Ω/□代表方块电阻，对于薄膜导电试样，表面电阻率用方阻表示。定义为：指一个正方形的薄膜导电材料边到边之间的电阻，其与正方形大小无关。