[实用新型]可拉伸的复合型力敏材料及可拉伸的压力传感器

说明书

本实用新型提供了一种可拉伸的复合型力敏材料及可拉伸的压力传感器。可拉伸的复合型力敏材料包括弹性基体与磁性颗粒，磁性颗粒分布在弹性基体中，并且所述磁性颗粒形成若干条链状结构单元，每条链状结构单元中磁性颗粒形成电接触，各链状结构单元基本排布整齐并且彼此间电绝缘。该复合型力敏材料可作为压力传感介质，并且在拉伸条件下可保持稳定的压力响应特性。

技术领域

本实用新型属于柔性材料技术领域，尤其涉及一种可拉伸的复合型力敏材料及可拉伸的压力传感器。

技术背景

自计算机诞生以来，人们一直努力建立一个友好智能的人机交互系统，从而更加有效地将人的意图传递给机器。作为交互系统重要的前端传感单元之一，压力传感器已在过去几十年得到了长足的发展，例如从早期的鼠标和键盘演化到现在的游戏手柄和触摸屏。现有的压力传感器可以良好地检测刚性表面上施加的压力。随着可拉伸柔性传感技术的发展，压力传感器被要求具有柔软且可拉伸，不仅可提高接触时的舒适性，更重要的是可贴合在待测体上，并随着待测体运动感知外界施加压力，被称为可拉伸电子皮肤。

压阻式压力传感器因具有结构简单、制备容易、灵敏度高等优点，是可拉伸压力传感器的重要类型。这类压力传感器通常选用可拉伸复合型力敏材料作为传感介质。该复合材料是在弹性基体中无序分布导电填料，随着外加压力增大，复合材料中沿压力方向的填料间隙减小，使复合材料电阻减小，这种变化存在一定的函数关系，从而实现感知外加压力的大小。但是，由于弹性基体中导电颗粒随机分布，因此其电学性能各向同性，在拉伸作用下，复合材料中沿拉伸方向的填料间隙增大，有可能破坏压力方向的导电通道，从而引起复合材料在压力方向的电阻显著增大而无法对该压力进行探测。即，基于现有的可拉伸复合型力敏材料的压阻式压力传感器对拉伸十分敏感，在拉伸过程中会对压力响应产生强的干扰，难以保持稳定的压力响应特性。

实用新型内容

本实用新型提供一种可拉伸的复合型力敏材料，包括弹性基体与磁性颗粒，所述磁性颗粒分布在弹性基体中，并且所述磁性颗粒形成若干条链状结构单元，每条链状结构单元中磁性颗粒形成电接触，各链状结构单元基本排布整齐并且彼此间电绝缘。

所述磁性颗粒不限，包括磁性金属、磁性合金、磁性化合物、磁性氧化物等。

所述弹性基体具有柔性，即，可发生拉伸、压缩、弯曲等形变；并且，所述弹性基体为绝缘体。所述弹性基体材料不限，包括各类柔性高分子材料，例如硅橡胶、嵌段共聚物、水凝胶等。

本实用新型的可拉伸的复合型力敏材料中，每条链状结构单元形成导电连接，而各链状结构单元之间呈电绝缘，因此当沿着各链状结构单元的排布方向进行拉伸时，由于弹性基体模量远低于磁性导电颗粒，主要形变发生在弹性基体中，因此导电连接的电学性能基本不变。在这种情况下，当受到沿着链状结构单元长度方向的外界压力时，由于磁性颗粒间隙减小而引起导电连接的电学性能变化，电导率随着施加压力的增大而增大，从而可感知外界施加的压力大小。即，本实用新型的可拉伸的复合型力敏材料可作为可拉伸的压力传感器中的压力传感介质，并且当沿着各链状结构单元的排布方向进行拉伸时电学性能呈各向异性，对沿着链状结构单元长度方向的外界压力响应不干扰，可保持稳定的压力响应特性，解决了现有压阻型压力传感器在拉伸过程中无法正常使用的难题。

本实用新型还提供一种制备可拉伸的复合型力敏材料的方法，该方法基于磁性颗粒在外加磁场作用下会沿着磁力线排列形成若干条链状结构单元，每条链状结构单元中磁性颗粒形成电接触，并且各链状结构结构单元之间互相电隔绝的物理现象，将磁性颗粒作为导电填料与液态的弹性基体混合后施加一定方向的磁场，在磁场作用下使磁性颗粒在液态的弹性基体中形成若干条沿磁力线方向排列的链状结构单元，并且各链状结构结构单元彼此电绝缘。

即，该制备方法包括如下步骤：

(1)将磁性颗粒与液态的弹性基体混合均匀，得到混合体；

(2)对混合体施加一定方向的磁场，然后固化混合体。