[发明专利]一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器及其制作方法

权利要求书

1.一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述柔性应变传感器为层状结构，顶层和底层为柔性应变传感器的绝缘封装层，中间为柔性应变传感器的力学敏感层；

所述柔性应变传感器的力学敏感层包括具有规则裂纹的高导电材料层，还包括半导电材料层；所述高导电材料层在无外加力作用下的方块电阻值为1Ω/□～500Ω/□，所述半导电材料层在无外加力作用下的方块电阻值为1000Ω/□～10000000Ω/□；

所述力学敏感层由位于上层的具有规则裂纹的高导电材料层，和位于下层的半导电材料层构成；或者，所述力学敏感层是在具有规则裂纹的高导电材料层的上表面和下表面皆设置有一层半导电材料层；或者，所述力学敏感层是在半导电材料层的上表面和下表面皆设置有一层具有规则裂纹的高导电材料层。

2.根据权利要求1所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述规则裂纹为周期性的线状裂纹、方波形裂纹、锯齿裂纹、十字裂纹或曲线裂纹，单条裂纹宽度不大于2微米，同一方向相邻裂纹之间的距离为5微米～1厘米。

3.根据权利要求1所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述具有规则裂纹的高导电材料层上的规则裂纹是通过加工成膜后再切割或者直接印刷的方法获得。

4.根据权利要求1所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述高导电材料层和所述半导电材料层是以柔性高分子材料为基体、以导电纳米材料为填料，采用混炼方法获得相应浆料后，再加工成膜获得，且通过调控填料与基体的配比，来实现相应材料层的所需导电率。

5.根据权利要求4所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述柔性高分子材料为天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、热塑性硫化橡胶、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯、苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、二烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体和聚酰胺类热塑性弹性体中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述导电纳米材料选自炭黑、石墨、碳纤维、石墨烯、碳纳米管、导电金属粉末和导电金属氧化物中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于：所述绝缘封装层、所述高导电材料层和所述半导电材料层的厚度为1微米～1毫米。

8.一种权利要求1～7中任意一项所述的具有规则裂纹结构的柔性应变传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、配置半导电浆料

将柔性高分子材料和导电纳米材料按所需配比在溶剂中混合并搅拌均匀，获得具有所需导电率的半导电浆料；

步骤2、配置高导电浆料

将柔性高分子材料和导电纳米材料按所需配比在溶剂中混合并搅拌均匀，获得具有所需导电率的高导电浆料；

步骤3、制备底层的绝缘封装层

将柔性高分子材料在聚酰亚胺薄膜表面旋涂、刮涂或者印刷成膜，然后室温下真空干燥至薄膜表面成型且保持黏性，形成底层的绝缘封装层；

步骤4、按方式一、方式二或者方式三制备力学敏感层

方式一：

41、将步骤1所得半导电浆料在步骤3的绝缘封装层表面旋涂、刮涂或者印刷成膜，然后室温下真空干燥至薄膜表面成型且保持黏性，形成半导电材料层；

42、将步骤2所得高导电浆料在所述半导电材料层表面旋涂、刮涂或者印刷成膜，然后室温下真空干燥至薄膜表面成型且保持黏性，形成高导电材料层；然后通过切割，在高导电材料层上制作规则裂纹，即获得具有规则裂纹的高导电材料层；

或者，直接通过印刷的方式，将步骤2所得高导电浆料在所述半导电材料层表面印刷成具有规则裂纹的高导电材料层；

方式二：

41、将步骤1所得半导电浆料在步骤3的绝缘封装层表面旋涂、刮涂或者印刷成膜，然后室温下真空干燥至薄膜表面成型且保持黏性，形成下层半导电材料层；

42、将步骤2所得高导电浆料在所述下层半导电材料层表面旋涂、刮涂或者印刷成膜，然后室温下真空干燥至薄膜表面成型且保持黏性，形成高导电材料层；然后通过切割，在高导电材料层上制作规则裂纹，即获得具有规则裂纹的高导电材料层；

或者，直接通过印刷的方式，将步骤2所得高导电浆料在所述下层半导电材料层表面印刷成具有规则裂纹的高导电材料层；

43、再将步骤1所得半导电浆料在所述高导电材料层表面旋涂、刮涂或者印刷成膜，然后室温下真空干燥至薄膜表面成型且保持黏性，形成上层半导电材料层；

方式三：

41、将步骤2所得高导电浆料在步骤3的绝缘封装层表面旋涂、刮涂或者印刷成膜，然后室温下真空干燥至薄膜表面成型且保持黏性，形成高导电材料层；然后通过切割，在高导电材料层上制作规则裂纹，即获得下层具有规则裂纹的高导电材料层；

或者，直接通过印刷的方式，将步骤2所得高导电浆料在步骤3的绝缘封装层表面印刷成下层具有规则裂纹的高导电材料层；

42、将步骤1所得半导电浆料在所述下层具有规则裂纹的高导电材料层表面旋涂、刮涂或者印刷成膜，然后室温下真空干燥至薄膜表面成型且保持黏性，形成半导电材料层；

43、将步骤2所得高导电浆料在所述半导电材料层表面旋涂、刮涂或者印刷成膜，然后室温下真空干燥至薄膜表面成型且保持黏性，形成高导电材料层；然后通过切割，在高导电材料层上制作规则裂纹，即获得上层具有规则裂纹的高导电材料层；

或者，直接通过印刷的方式，将步骤2所得高导电浆料在所述半导电材料层表面印刷成上层具有规则裂纹的高导电材料层；

步骤5、制备顶层的绝缘封装层

将柔性高分子材料在步骤4的力学敏感层表面旋涂、刮涂或者印刷成膜，然后充分干燥，形成顶层的绝缘封装层，即完成具有规则裂纹结构的柔性应变传感器的制作。