[发明专利]基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器及其制备方法

说明书

一种基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器及其制备方法，柔性应变传感器包括柔性基底，柔性基底上预制有规则裂纹结构；溅射镀膜在柔性基底上的导电层；一对铜片电极，以及两引出铜线，电极位于导电层的两端，柔性基底是采用柔性聚合物制成的薄膜。本发明采用溶剂诱导法首先在聚苯乙烯培养皿上盖的内表面预制放射状规则裂纹阵列，再通过二次模板法将结构转移到PDMS柔性基底上，如此，裂纹在柔性基底的形成就不是通过破坏材料性质的方式，起到了保护材料的作用。该制备方法简单、成本低、可大面积制备。基于这种规则裂纹阵列的柔性应变传感器具有稳定性好、灵敏度高等优点，于可穿戴电子、智能机器人等领域。

技术领域

本发明涉及应变传感器制造领域，具体涉及一种具有规则微米裂纹阵列结构的柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

应变传感器是将待测对象的受力及形变转化为电信号的一种传感器。随着现代化技术的进步以及人工智能的飞速发展，应变传感器无论是在工业还是在人们的日常生活中都发挥着极其重要的作用。实现应变传感器性能的更优化，制备方法简单高效化，以及成本最低化，是未来应变传感器蓬勃发展的趋势。

柔性应变传感器是一种具备可弯曲拉伸或收缩性特性的传感元件，在人体健康及运动监测、智能机器人、人机交互设备、医疗器械、智能家居设备等领域存在潜在应用价值，需求十分广泛，从而越来越受到人们的关注。在这些实际需求中，是否具备高灵敏度、高稳定性等是决定柔性应变传感器能否面向实际应用的重要因素。而目前提高柔性应变传感器灵敏度的方法可概括总结为两种：一是选择具备优异的电传导及优良机械性能的功能材料，如碳纳米管，石墨烯，纳米金属银线等；二是通过制备工程结构来助力传感器的性能，目前报道的工程结构包括交错、机织、逾渗、裂纹等。但是这些具有优异电传导性能的材料往往制备不易，价格昂贵，因此受限于实际应用。而在工程结构中，制备裂纹结构相比其它几种结构对提高柔性应变传感器的性能更有效。基于裂纹式的柔性应变传感器的工作原理为：柔性基底在外部微弱载荷的作用下产生形变，使得柔性基底表面的裂纹两壁间的间距发生变化，进一步导致裂纹的两壁上导电材料的接触状态发生变化，最终引起导电层的电阻值发生改变。目前针对基于微纳米尺度裂纹结构研发的电阻式柔性应变传感器已有大量相关文献报道，在这些报道中裂纹结构的产生方式主要分为以下几种：

1、以弯曲撕裂的方式在功能材料表面形成不规则不可控的随机裂纹；

2、以预拉伸/释放的方式在功能材料表面形成随机不可控裂纹；

3、以光刻或激光雕刻方法破坏功能材料表面从而形成尺寸较大、较规则的裂纹。这几种方法均是以破坏材料自身结构的方式来实现裂纹的产生，且前两种方法裂纹很难实现规则可控。材料本身结构的破坏将使得裂纹容易进一步扩展，最终引起材料发生断裂失效，严重影响传感器的正常使用寿命。且不规则随机裂纹的不可控将为后期传感器的大批量大面积生产、性能参数统一化标定等带来很大的麻烦。因此，一种基于表面规则裂纹结构的应变传感器及其低成本、简易的制备方法，对于实现其商业化大面积应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有柔性应变传感器加工困难、技术要求高等缺点，提供一种基于规则裂纹阵列结构的柔性应变传感器，所得的柔性应变传感器具有非常高的灵敏系数以及很好的稳定性，其在人体关节运动方面监测精准。同时，这种柔性应变传感器的制备方法简易，生产成本低，可实现大面积生产。这里所说的规则主要表现为裂纹呈现直线状，各裂纹单元呈现几何尺寸均匀一致。

本发明之基于规则微米裂纹阵列结构柔性应变传感器，包括：

柔性基底，所述柔性基底上预制有规则裂纹结构；

溅射镀膜在柔性基底上的导电层；

一对铜片电极，以及两引出铜线，电极位于导电层的两端。

所述的柔性基底是采用柔性聚合物制成的薄膜。