[发明专利]基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器

说明书

本发明公开了一种基于S形微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，属于柔性可拉伸应变传感器领域，S型微孔道液态金属复合介质层由在矩形柔性基体中设置由S型微孔道空腔并在S型微孔道腔体中注入液态金属构成，在S型微孔道液态金属复合介质层的上下表面依次设置柔性电极和柔性封装层。S型微孔道液态金属复合介质层以硅橡胶基底作为弹性基底，以液态金属作为液相填料填充S型微孔道，腔体在弹性基底中呈S型分布。本发明的电容式柔性拉伸传感器采用类似植物根茎的仿生结构，有良好的延展性、高灵敏度以及低延迟特性，为设计满足等人体姿态监测、人机交互、人体生理信号监测等应用领域需求的高灵敏度电容式柔性拉伸应变传感器提供了一种可行性方案。

技术领域

本发明属于柔性可拉伸应变传感器领域，具体涉及基于S型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器，可应用于人体姿态监测、人机交互、人体生理信号监测等应用领域。

背景技术

柔性电子产品近年来在智能材料与柔性传感器等技术的推动下发展迅速，引起了学术界与工业界的高度关注。柔性可拉伸应变传感器作为可穿戴电子产品的重要组成部分，以其独特的柔韧性、可拉伸性和佩戴舒适性等优点受到人们的关注，并广泛应用于电子皮肤(e-skin)、人机交互界面和智能机器人等领域。新一代柔性电子皮肤凭借其超薄、高可拉伸、高灵敏度、自驱动等特点，可以广泛应用于健康监测、机械假体、软体机器人、人机交互等领域。随着智能产品的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。而传感器作为柔性电子皮肤和可穿戴电子设备的核心部件，将影响其功能设计与未来发展走向。因此，发展具有高柔性、高延展性、穿戴舒适性、人机共融性的柔性拉伸应变传感器体现了重要的科学意义与应用价值。

常见的拉伸传感器包括电阻式、压电式、电容式三类，压电式与电阻式能够获得较高的灵敏度，但是在电-力学特性上表现出非线性，并且具有较大的延迟，极大地阻碍了传感器在实际中的应用。电容式具有极好的线性拉伸性以及可以小到可以忽略的延迟，这些特性满足了健康监测、人机交互、智能机器人等领域中对高稳定性、易监测、快速响应的需求，在上述场景中具有较好的应用前景。然而传统的电容式拉伸传感器发生应变的原理是通过拉伸改变平行极板的间距从而产生电容变化，受限于平行极板的物理特性，难以实现较高的灵敏度。为保证传感器高延展性的同时能够大幅度提高传感器的灵敏度和可重复性，通过基于仿生结构、分形结构的研究，制备液态复合介质层、多孔复合介质层、多夹层协同导电介质层等多种复合介质结构，赋予传感器更出色的性能以及更广阔的应用前景，成为当下的研究热点。

随着研究的进一步深入，柔性可拉伸应变传感器还需要设计新型的传感机理，解决在不同工作环境下的集成与数据分析等科学问题，还需要完成在传感器制备工艺、高分子材料合成技术与传感器件整合等多维度技术上的突破。首先，需要新材料和新信号传感机制加上新型制备工艺来拓展柔性可拉伸应变传感器在人体穿戴上的使用范围，以满足不同场合的需求；其次，在生态友好的基础上发展低能耗和自驱动的柔性传感器；再者，提高可拉伸应变传感器在可穿戴电子设备上的性能参数，包括灵敏度、响应时间、检测范围、集成度和检测下限等，提高所集成电子设备的便携性，降低传感器的制造成本；最后，发展无线传输技术，与移动终端结合，建立统一的平台服务，从而可以实现数据的实时传输、分析与反馈。随着科学技术的发展，特别是纳米材料和纳米集成技术的研究不断深入，可拉伸应变传感器在可穿戴领域展现出了更为广阔的应用前景。

目前液态金属多以镓、铟类合金为基础材料，再配以其他的功能材料进行复合以满足不同应用场景需求。在诸多液态金属中，镓铟合金等液态金属保持了低毒性的同时，还能具备优秀的导电、导热性能，是最柔软、最易变形的导电材料之一。相比于传统的硅橡胶(PDMS)介质层而言，通过将将液态金属填充在弹性微孔道中，结合金属微孔道的结构设计新型复合导电介质层，可以赋予柔性拉伸应变传感器更高的灵敏度，更快的响应时间以及更理想的拉伸性能。