[发明专利]基于同种导电材料的柔性应变传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了基于同种导电材料的柔性应变传感器及其制备方法，该传感器包括传感区、连接区、封装层以及柔性基底。相比于现有的同类型传感器，本发明的传感器的特点在于传感区和连接区使用同种导电材料制备，并通过调节不同区域的尺寸结构满足基于同种导电材料的传感器的传感区和连接区的设计规则。所述传感器基于丝网印刷工艺，将炭黑‑硅橡胶复合导电浆料在织物基材上一步印刷完成传感器的制备。该方法操作简便、制作成本低、适合大规模生产，所制备的传感器具有高灵敏度(≈10)、大应变范围(～100％)、低滞后性和良好的稳定性，可应用于人体运动检测、智能医疗服务等领域。本发明的传感器制备方法对柔性应变传感器的工业生产具有重要的参考价值。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及基于同种导电材料的柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

应变传感器是将外部机械信号转化为电信号的器件，器件在外力作用下产生形变，从而引起内部传感材料电学性能变化来实现传感。传统应变传感器大多是由金属和半导体材料制备而成，由于其拉伸应变范围窄，不易弯曲等缺点，难以应用在复杂界面上。柔性应变传感器因其超薄度、低模量、高柔韧性和高延展性等优点，可附着在复杂的曲面形状，比起传统金属传感器能适用于更多、更复杂的应用环境，引起研究者的广泛关注。目前，柔性应变传感器通常被集成在可穿戴设备上，在医疗健康、人体运动检测、软机器人以及人机交互等领域有着重要应用。

电阻式应变传感器因其制造简便、成本低、稳定性强等优点，成为柔性应变传感器的主流。一个经典的电阻式应变传感器应该由传感区域和连接区域串联组成，传感器的电阻变化△R和初始电阻R₀由这两部分决定。各种材料、形状结构被设计来构建传感器的传感区域和连接区域，以提高传感区的灵敏度和测量范围并最大程度降低连接区的电阻贡献。然而，要保证局部的灵敏度和耐用性，连接区的材料应该具有高导电性和稳定的机械性能。传统的设计方法是以碳纳米材料作为传感区，金属薄膜作为连接区，金属薄膜具有超高导电性且机械性能稳定，但是金属材料一般价格昂贵。为了使用碳基材料取代金属材料作为连接区以降低成本并且具有金属连接相当的性能，也有研究人员使用碳黑掺杂聚二甲基硅氧烷作为传感区，因为它具有高电阻率和对应变的强依赖性，而碳纳米管掺杂聚二甲基硅氧烷作为连接区，因为它的电阻率相对较低且对应变的依赖性较弱。

然而上述方法都需要多步骤操作，制作成本高，且不同的材料需要多次干燥固化，增加了工艺的复杂性，不利于柔性应变传感器的大规模生产。因此，如何促进柔性应变传感器的简易低成本制作是实现传感器大规模生产的技术壁垒。

发明内容

针对现有技术的发展状况，本发明提供了基于同种导电材料的柔性应变传感器及其制备方法，旨在解决柔性应变传感器制作工艺复杂、难以实现大规模生产的问题。

一方面，本发明传感器采用的技术方案如下：基于同种导电材料的柔性应变传感器，柔性应变传感器为层状结构，包括：柔性基底，位于柔性基底上的传感区和连接区，用于保护传感区的封装层；

传感区和连接区采用同一种导电材料制备而成，传感区和连接区的尺寸大小和形状结构满足：柔性应变传感器在发生形变时，柔性应变传感器的电阻值变化由传感区决定，连接区的电阻值忽略不计，连接区仅用于连接传感区和外部设备。

在优选的实施例中，传感区为多个矩形迂回连接，连接区为一个矩形，传感器受到变形时传感区的应变程度大于连接区。

另一方面，本发明的制备方法采用如下技术方案：基于同种导电材料的柔性应变传感器的制备方法，包括步骤：

S1、使用同种复合导电材料对传感区和连接区进行设计，设计规则为传感器在发生形变时，传感器的电阻值变化由传感区决定，连接区的电阻值忽略不计，连接区仅起到连接传感区和外部设备的作用；

S2、传感器的传感区和连接区使用同种复合导电材料一步印刷完成制备，然后在传感区上涂上一层硅橡胶作封装保护层，在连接区安装与外部设备连接的配件。