[发明专利]基于液态金属的柔性大应变传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于液态金属的柔性大应变传感器及其制备方法，包括底层衬底，底层衬底内部设有微流体通道，微流体通道为相交于一点的多方向通道，底层衬底上设有顶层衬底，微流体通道中填充有液态金属柱，所有液态金属柱并联于电源两端，电路中连接有测量液态金属柱电流的电流表，同方向液态金属柱两个延伸段的液态金属电阻的阻值相等。本发明的传感器输出稳定，耐久性好，测量范围大，对低温环境具有较好适应性，能够进行多方向的拉伸检测，解决了现有技术中存在的问题。

技术领域

本发明属于柔性电子技术领域，涉及一种基于液态金属的柔性大应变传感器及其制备方法。

背景技术

柔性应变传感器主要是通过导电功能材料和弹性体材料复合而成，导电功能材料是决定应变传感器性能的关键，目前现有的柔性应变传感器常用的导电功能材料主要是纳米粒子、纳米线、碳纳米管、石墨烯等固态导电材料。

例如，发明专利“一种基于碳纳米管的柔性应变传感器及其制备方法”（申请号：201811595679.8）公开了一种基于碳纳米管的柔性应变传感器，该传感器利用三棱柱状的多壁碳纳米管环氧树脂复合层和置于其间的多壁碳纳米管层共同作用，具有较高的应变灵敏度和较宽的测量范围。然而该应变传感器在拉伸应变时，由于弹性体基底材料与固态的应变材料弹性模量的不匹配，导致传感器在拉伸到某一应变后保持不变时，输出存在回落现象，如图1所示，严重影响其静态性能。

又如，发明专利“一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器及其制备方法”（申请号：201811595680.0）公开了一种以石墨烯纳米银为导电骨架，聚二甲基硅氧烷为基底的柔性应变传感器，通过在石墨烯纳米片的表面生成银纳米颗粒，提高应变传感器的灵敏度。但纳米粒子或纳米线的交叉密度会直接影响传感器的灵敏度和电阻分辨率。纳米粒子或纳米线交叉密集时，传感器可以实现较大的拉伸极限，但是其灵敏度、分辨率会随之降低；反之，传感器能实现较大的灵敏度和分辨率，但拉伸极限会降低。这种传感器很难同时得到较大的拉伸极限、灵敏度和分辨率。

目前现有的柔性应变传感器常用的液体导电材料主要是液态金属及离子液体，由于低毒性、可变形性、高导电性、大表面张力等特点，液态金属成为制作柔性应变传感器的优选材料。

例如，发明专利“基于液态金属的高灵敏度拉力传感器及其制造方法”（申请号：CN201910158982.X）公开了一种基于液态金属的高灵敏度拉力传感器，该传感器通过分层结构来实现惠斯通多臂电桥，提高了拉力检测的灵敏度且能补偿温度。然而由于液态金属的熔点问题，该传感器不具有低温环境适应性，且不能进行多方向拉伸检测。

综上所述，已报道的基于固态导电材料的柔性应变传感器存在如下缺点：（1）传感器在拉伸到某一应变后保持不变，传感器输出存在回落现象；（2）传感器在多次重复拉伸后，应变特性产生漂移，严重影响传感器的稳定性和耐久性；（3）传感器应变测量范围受限于固态应变材料组成的导电通路的拉伸极限，导致传感器测量范围较小。

已报道的基于液态金属的柔性应变传感器存在如下缺点：（1）传感器不具有低温环境适应性，在低于液态金属熔点的环境中无法准确进行拉力检测；（2）传感器只能进行单一方向的拉伸检测，无法进行多方向的拉伸检测。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于液态金属的柔性大应变传感器，输出稳定，耐久性好，测量范围大，对低温环境具有较好适应性，能够进行多方向的拉伸检测，解决了现有技术中存在的问题。

发明的另一目的是，提供一种基于液态金属的柔性大应变传感器的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于液态金属的柔性大应变传感器，包括底层衬底，底层衬底内部设有微流体通道，微流体通道为相交于一点的多方向通道，底层衬底上设有顶层衬底，微流体通道中填充有液态金属柱，所有液态金属柱并联于电源两端，电路中连接有用于测量液态金属柱电流的电流表，同方向液态金属柱两个延伸段的液态金属电阻的阻值相等。