[发明专利]一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器

说明书

本发明公开了一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器，主要由应变传感器主体和应变信号读取接口构成；所述应变传感器主体，由基于柔性多孔材料切割成型的柔性基底、附着于该基底表面的导电材料和封装材料构成。该种柔性传感器皮肤通过内部结构的设计使得其具有良好的拉伸性能、较大的灵敏度和测量范围。同时，本发明的内部结构是能够进行不同阵列的排布，从而满足不同的使用环境和适用条件。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器。

背景技术

随着人工智能的高速发展和智能终端的普及，服务型机器人与可穿戴式设备等领域呈现出巨大的市场前景，将对人类社会未来发展产生重大的影响。

在相关产品的研发设计过程中，高性能的传感器也一直是研究的重点。而应变传感器具有广泛的应用价值，在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、柔性电子皮肤，甚至工业机器人等领域拥有很大的应用潜力。

目前，传统的柔性应变传感器基底材料为表面平整的弹性薄膜，如聚甲基乙烯基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、Dragon skin、橡胶等，其表面嵌入或覆盖的导电层也为平面结构。这种平面结构的应变传感器普遍存在拉伸性能较差，灵敏度不够高，难以检测微小形变的缺点，限制了其发展和应用。因此，迫切需要一种高拉伸性，高灵敏度，同时制备工艺简便的新型应力传感器。

发明内容

为了解决传统柔性传感器的灵敏度不够高，难以检测微小形变，测量范围较小等缺点。本发明提出了一种基于多孔结构的柔性传感装置，可以应用于机器人或可穿戴式设备的传感器，极大提升了应变传感器在低应变范围的灵敏度，扩大了传感器的应变检测范围。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：

本发明包括传感器主体和应变信号读取接口，应变信号读取接口主要由铜针和信号传输导线构成，传感器主体的两端分别插有铜针，传感器主体通过铜针与信号传输导线连接；传感器主体为多孔结构，多孔结构在微观上主要由内而外依次包覆的柔性基底、导电材料层和封装材料层构成。

所述的传感器主体的制作方法包括以下步骤：首先，将预聚物、固化剂、导电材料搅拌混合得到混合液，再将切割成型后的柔性基底充分浸泡在混合液中或者将混合液均匀滴在柔性基底上，烘干后用正己烷溶液再进行清洗柔性基底，最后烘干得到传感器主体。

本发明利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)与固化剂配合适当的溶剂(如正己烷、硅油等)将导电材料(纳米碳管、碳黑)固化在聚氨酯海绵表面，辅之以结构设计提高其延展性的方法，制备了具有优良应变-电阻曲线的PDMS海绵介质层，通过较为简易的方法完成了柔性应变传感器的制备。制备获得的传感器主体具有多孔结构，内部形成了微观丝状导电通路。

所述的传感器主体的外形结构主要由基本结构单元组成，具体有两种外形结构：多个基本结构沿直线方向间隔排布形成一列单元，多列单元间隔平行排布，从而构成第一种外形结构；多个基本结构沿直线方向间隔排布形成单列单元，形成第二种外形结构；基本结构单元为环形体结构，环形体结构的中间开有通槽，一列中相邻两个环形结构之间通过颈状结构圆滑过渡连接。

所述的预聚物与固化剂的质量比或体积比约为10:1，导电材料的质量为固化剂与预聚物总质量的8％。

所述的导电材料采用纳米碳管或碳黑，柔性基底采用柔性多孔材料，具体采用聚氨酯海绵材料；预聚物采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。