[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

说明书

本发明公开了一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器及其制作方法，其为层状结构，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；其中力学敏感层包括至少一层的具有规则裂纹的高导电材料层和至少一层的半导电材料层。本发明的柔性应变传感器具有高一致性、高重复性、高灵敏度和高可拉伸特性等特点，且其制作工艺简单、制作成本低，易于大规模生产，具有极高的市场价值和产业化潜力。

技术领域

本发明属于传感器制造技术领域，具体涉及一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器及其制作方法。

背景技术

柔性应变传感器不仅可以感知作用对象的刚度、纹理和形状，还可以测量与人体皮肤感知能力相对应的压力、拉伸、滑动和振动等多模态触觉信息。作为新型传感器件，国内外有哈佛大学、斯坦福大学、东京大学、清华大学、中国科学院合肥智能机械研究所、合肥工业大学等在该领域进行了持续性研究。相关工作研究历史仅20余年，现有工作主要集中在敏感材料设计、静态和动态性能优化、传感器标定及解耦等应用基础研究方面。美国Tekscan公司、比利时RSscan公司等已出现商用化的柔性应变传感器产品，国内相关商业产品仍鲜见报道。柔性应变传感器目前正朝着高阵列密度、超低功耗、多功能集成、产业化等应用方向发展，未来柔性应变传感器将在可穿戴设备、仿生机器人、智能假肢等人工智能领域展现出极其重要的应用价值。

柔性可穿戴触觉传感器的信号转换机制主要分为压电式、电容式和电阻式三大部分。Wang等通过堆叠两层嵌有银纳米线和镍泡沫的硅橡胶制成摩擦电纳米发电机，用作一种可以将机械变形转换为电信号的柔性应变传感器(H.Wang,D.Li,W.Zhong,L.Xu,T.Jiang,Z.L.Wang.Self-powered inhomogeneous strain sensor enabled jointmotion and three-dimensional muscle sensing,ACS Appl.Mater.Interfaces,2019,11,34251-34257)。但压电式传感器只能用于动态力学量的测试，无法检测静态压力。Atalay等设计了具有微孔介电层的电容式柔性力学传感器，并成功的应用于机械手抓取(O.Atalay,A.Atalay,J.Gafford,C.Walsh.A highly sensitive capacitive-based softpressure sensor based on a conductive fabric and a microporous dielectriclayer,Adv.Mater.Technol.,2017,1700237)。但电容式压力传感器信号比较微弱，有效信号获取及处理较复杂。压阻传感器可以将外界触觉刺激转换成电阻信号的变化，进而可以方便地用电学测试系统间接探测外力变化，由于其简单的设备和信号读出机制，这类传感器得到广泛研究。柔性力学传感器最常用的方式是将不同导电填料掺入高分子材料中，直接制造压力敏感柔性复合导电材料。Liu等将具有压力敏感特性的炭黑填充硅橡胶制成电阻式压力传感器，并详细分析了传感器的工作原理(P.Liu,C.Liu,Y.Huang,W.Wang,D.Fang,Y.Zhang,Y.Ge,Transfer function and working principle of a pressure/temperature sensor based on carbon black/silicone rubber composites,Journalof Applied Polymer Science,2016,133(7):42979)。为了兼具良好的柔性和力学灵敏度，压力敏感复合导电高分子材料中导电填料的用量常在渗流体积分数附近，由于复合导电高分子材料的粘弹性特性，导致此类传感器一致性差、重复性差、响应时间极长。为提高柔性力学传感器的动态响应特性，用柔性复合导电高分子材料浸渍海绵是一个常见的研究方向。Huang等通过使用多巴胺/三氨基(羟甲基)甲烷混合溶液对聚氨酯海绵基体进行改性，再将炭黑/石墨烯/硅橡胶复合导电材料层层包覆聚氨酯海绵三维骨架制备高灵敏度、高重复性力学敏感材料(Y.Huang,X.He,L.Gao,Y.Wang,C.Liu,P.Liu.Pressure-sensitivecarbon black/graphene nanoplatelets-silicone rubber hybrid conductivecomposites based on a three-dimensional polydopamine-modified polyurethanesponge,Journal of Materials Science:Materials in Electronics,2017,28(13):9495-9504)。但由于海绵骨架不规则以及容易断裂的特点，此类柔性力学传感器的一致性和重复性也较差。