[发明专利]一种可拉伸应变传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种可拉伸应变传感器及其制备方法和应用，所述可拉伸应变传感器包括柔性衬底层和传感层，所述传感层部分嵌入所述柔性衬底层，所述传感层包括导电金属颗粒层和导电碳材料层，所述导电碳材料层设于所述柔性衬底层和所述导电金属颗粒层之间。本发明利用导电碳材料层和导电金属颗粒层的双层导电传感层界面处的自锁效应，解决应变材料在大拉伸应变下连续导电问题，本发明的传感器具有高拉伸性、高灵敏度、宽应变范围、良好的稳定性和耐久性好的特点。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种可拉伸应变传感器及其制备方法和应用。

背景技术

可穿戴电子传感器在人体临床诊断，健康监测，人机界面，电子皮肤和智能机器人等领域引起了广泛关注。作为电子传感器的重要成员，可拉伸应变传感器近年来发展迅速，可用于检测人体的各种生理活动，包括手，臂，腿等的大尺度弯曲运动和深呼吸，吞咽，肌肉振动，血压和脉搏等的小尺度形变。特别地，应用于生物机械学，生理学和运动学中的可拉伸应变传感器需要具有高灵敏度，宽应变范围和出色的耐久性。

在这些要求中，高拉伸性和灵敏度是可拉伸应变传感器的关键参数。为了制造高性能应变传感器，需要考虑一些具有高导电性和大应变下能保持电学性能稳定的敏感材料。然而，应变传感器仍存在若干问题：具有高灵敏度的应变传感器，但是其伸缩范围小；或者传感器有宽伸缩范围，但是其低灵敏度又很低。另一方面，稳定性和耐久性对于可拉伸应变传感器也是重要的。中国专利CN108332647A提出了一种柔性压阻式应变传感器，其主要的技术方案是利用金属玻璃薄膜作为敏感材料，虽然具有较好的线性度，但是其灵敏系数仅为2.5。中国专利CN107655398A提出了一种高灵敏度可拉伸柔性应变传感器，其主要的技术方案是利用聚合物封装由石墨烯和带有裂纹的镍膜包覆的聚氨酯海绵复合材料，虽然此应变传感器的最大灵敏系数可达3300，但是其拉伸范围只有65％。2016年，史等人在《先进功能材料》期刊上发表的“高灵敏度，耐磨，耐用的应变传感器和可拉伸导体用石墨烯/硅橡胶复合材料”论文中，报道了一种石墨烯薄片和硅橡胶复合材料的应变传感器，当传感器厚度为10μm时，其具有最大的灵敏系数值(164.5)，但其拉伸极限为12％。基于上述，拥有高拉伸性和灵敏度以及良好的稳定性和耐久性的可拉伸应变传感器仍然是挑战。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可拉伸应变传感器及其制备方法和应用，所述可拉伸应变传感器包括柔性衬底层和传感层，所述传感层部分嵌入所述柔性衬底层，所述传感层包括导电金属颗粒层和导电碳材料层，所述导电碳材料层设于所述柔性衬底层和所述导电金属颗粒层之间。本发明利用导电碳材料层和导电金属颗粒层的双层导电传感层界面处的自锁效应，解决应变材料在大拉伸应变下连续导电问题，本发明的传感器具有高拉伸性、高灵敏度、宽应变范围、良好的稳定性和耐久性好的特点。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明第一方面提供一种可拉伸应变传感器，包括柔性衬底层和传感层，所述传感层部分嵌入所述柔性衬底层，所述传感层包括导电金属颗粒层和导电碳材料层，所述导电碳材料层设于所述柔性衬底层和所述导电金属颗粒层之间。

所述柔性衬底层可由各类常见高分子聚合物以浇筑、涂布、印刷等手段制备获得。

优选地，所述柔性衬底层为包含聚二甲基硅氧烷的衬底层。

优选地，所述导电金属颗粒层为包含银颗粒和/或银包铜颗粒传感层。

优选地，所述导电碳材料层为包含碳纳米管的传感层。

优选地，还包括引线，所述引线与所述传感层电连接。

上述可拉伸应变传感器可直接从电极层两端采样模拟的电阻信号，也可转换为相应的数字信号以进一步应用。

本发明第二方面提供上述可拉伸应变传感器的制备方法，包括如下步骤：