[发明专利]一种基于图形化诱导裂纹的应变传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及应变传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于图形化诱导裂纹的应变传感器及其制备方法。一种基于图形化诱导裂纹的应变传感器，所述基于图形化诱导裂纹的应变传感器为多层结构，自下而上依次包括柔性衬底、脆性层、图形化力学导电敏感层；所述柔性衬底由柔性聚合物制成；所述脆性层中包含预裂纹；所述图形化力学导电敏感层材料由导电传感材料和光聚合交联剂组成；所述预裂纹对图形化力学导电敏感层的平行裂纹起诱导作用。采用本发明的制备方法无需对衬底进行破坏，加工难度低、过程快速、成本低，而制备出的柔性应变传感器的灵敏度高、传感性能好。

技术领域

本发明涉及应变传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于图形化诱导裂纹的应变传感器及其制备方法。

背景技术

随着信息时代应用需求的增加，传感器的应用领域不断扩大，对传感器检测信息的范围、灵敏度和稳定性等性能参数的要求也不断提高。使用贵金属材料制成的传统应变传感器，因为自身机械硬度高、生物兼容性差等原因，已无法满足传感器面向特殊使用环境与特殊信号测量下的发展需求。相比于传统应变传感器，由柔性基底和传感材料组成的柔性应变传感器因为具备厚度薄、重量轻、光学性能好、柔韧性高、延展性能优异等优点，是满足检测发展需求的新型传感器。

其中，电阻型柔性应变传感器，因为结构简单且信号变化幅度大，信号容易收集等优点近年来备受关注。其传感原理为：柔性基底在外力拉伸下而产生裂纹结构，裂纹结构破坏了传感材料的导通回路，电学信号因此急速变化。通常情况下，该传感裂纹结构为自发的、无规律的、纵横交错的裂纹结构。相关领域的研究人员发现，在柔性应变传感器中引入规则的裂纹结构，可实现裂纹结构的精确可控，从而提高传感器的各项传感性能指标。

当下对柔性应变传感器引入规则裂纹结构的方式，可划分为外力法与模板法。外力法主要是在传感材料涂敷前，对柔性基底局部施加弯曲、撕裂、拉伸等机械外力，使被处理的局部产生规则裂纹。模板法主要是先使用光刻、氧化、纳米压印等方式加工出具有规则裂纹结构的模板，然后使用模板对柔性表面进行二次加工，制作出具备规则裂纹结构的柔性衬底。外力法和模板法虽然都能制备出规则的裂纹结构，改善传感器的性能，但因为都是对柔性基底进行二次加工，存在加工精度要求高、加工难度大、加工周期长、加工成本高等问题，严重制约了规则裂纹结构柔性应变传感器的发展。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种基于图形化诱导裂纹的应变传感器及其制备方法，用于解决现有外力法和模板法产生规则的裂纹结构以制备应变传感器过程中，存在的加工难度大、加工周期长、加工成本高等问题。

本发明采取的技术方案是：

一种基于图形化诱导裂纹的应变传感器，所述基于图形化诱导裂纹的应变传感器为多层结构，自下而上依次包括柔性衬底、脆性层、图形化力学导电敏感层；

所述柔性衬底由柔性聚合物制成；

所述脆性层中包含预裂纹；

所述图形化力学导电敏感层材料由导电传感材料和光聚合交联剂组成；

所述预裂纹对图形化力学导电敏感层的平行裂纹起诱导作用。

本技术方案中，提供了一种基于图形化诱导裂纹的应变传感器，其柔性衬底表面经过改性形成了脆性层，脆性层上的预裂纹具有诱导作用，使传感器中的图形化力学导电敏感层被拉伸时产生平行裂纹，从而得到具有规则裂纹结构的、传感性能好的柔性应变传感器。即本方案的应变传感器形成有预裂纹，在图形化力学导电敏感层受到外力拉伸时，如在进行人体检测时，人体的脉搏、喉结对传感器的作用，其效果等同于外力拉伸，此时在预裂纹的诱导下图形化力学导电敏感层上产生平行裂纹。

其中，所述柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)中的任一种。