[发明专利]一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法

说明书

本发明公开一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法，该传感器包括柔性基底、感应薄膜层和结构层；柔性基底的顶端表面设有中心凹槽和四个边缘凹槽，四个边缘凹槽成中心对称分布在中心凹槽的四周；边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；感应薄膜层位于柔性基底的中心凹槽中；结构层含有四个结构柱，结构柱位于柔性基底的边缘凹槽中并与边缘凹槽一一对应。本发明柔性应变传感器通过放大结构对感压薄膜层放大拉伸，实现提高柔性应变传感器的灵敏度的目的。本发明制备方法，工艺流程简单，可行性高。

技术领域

本发明涉及一种柔性应变传感器，具体来说，涉及一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的快速发展，人们工作的环境更加趋于复杂化和多样化，对电子器件在柔韧性、便携性、可穿戴性等方面的要求越来越高。与传统传感器相比，柔性传感器克服了易脆和基底不可弯曲形变的缺点，并且具有尺寸小、重量轻、功耗低、易于集成并且耐恶劣工作环境等优点，成为了许多科研工作者的研究重点，并在很多领域被广泛应用，比如健康监测、电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品等。

柔性应变传感器的工作原理是基于应变传感器受力产生形变，附着在基底上的感压薄膜会因受力而产生形变，薄膜的形变会使其电阻值或者电容值发生改变，改变量的大小与形变量有关。通常，常见材料在轴向拉伸时会经历横向收缩，在轴向压缩时经历横向膨胀，这种横向变形的大小由称为泊松比的材料特性决定。泊松比定义为负横向应变除以拉伸力方向的轴向应变。由于普通材料在轴向拉伸时横向收缩并在轴向压缩时横向膨胀，所以这些材料的泊松比为正。例如，橡胶和软生物组织的泊松比约为0.5，铅为0.45，铝为0.33，普通钢为0.27，典型聚合物泡沫为0.1至0.4。由于应变传感器的灵敏度与感压薄膜的面积形变量有直接关系，总的原则是相同外力作用时，面积形变量越大，灵敏度越高。而正泊松比会导致柔性应变传感器受外力作用时，虽然一个方向上会拉伸(或者压缩)，但与之对应的另一个方向则会反向变化，压缩(或拉伸)，面积变化的总效果上会被减弱。传统的提高柔性应变传感器的灵敏度的方法侧重于改变和优化灵敏材料，但常见的感压薄膜材料一般均为正泊松比，可提高的灵敏度有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法，可提高柔性应变传感器的灵敏度。

为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种含有放大结构的柔性应变传感器，包括柔性基底、感应薄膜层和结构层；所述柔性基底的顶端表面设有中心凹槽和四个边缘凹槽，四个边缘凹槽成中心对称分布在中心凹槽的四周；所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；所述感应薄膜层位于柔性基底的中心凹槽中；所述结构层含有四个结构柱，结构柱位于柔性基底的边缘凹槽中并与边缘凹槽一一对应。

作为优选例，所述中心凹槽为矩形。

作为优选例，所述结构柱为长方体状。

作为优选例，所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向之间的夹角为35°。

作为优选例，所述制作结构柱的材料比制作柔性基底的材料硬度高。

作为优选例，所述柔性基底由聚二甲基硅氧烷制成。

作为优选例，所述感应薄膜层由石墨烯纳米片、碳纳米管或纳米银线制成。

另一方面，本发明实例还提供一种含有放大结构的柔性应变传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：在硅片上表面依次淀积光刻胶层和二氧化硅层；

第二步：对二氧化硅层图形化，得到上表面带有中心凸起和四个边缘凸起的硅模板；所述四个边缘凸起成中心对称分布在中心凸起的四周；所述边缘凸起的长度方向与硅模板的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；

第三步：在硅模板的上表面制作柔性基底；