[发明专利]一种灵敏度高且对严苛环境耐受力强的柔性应变传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种灵敏度高且对严苛环境耐受力强的柔性应变传感器及其制备方法，属于应变传感器技术领域。所述柔性应变传感器包括柔性衬底、含规则狭缝阵列的薄板状导电层以及导电层两端连接的金属测试导线，其中导电层呈特殊设计的连续结构。所述制备方法的步骤包括：采用微加工方式将导电层切割出狭缝阵列图案、在狭缝阵列局部的沟道侧壁部位电镀金属薄膜、连接测试导线、将导电层封装在两片预拉伸的柔性衬底中、最后释放柔性衬底中的预应变。本发明所提供的柔性应变传感器不仅灵敏度高，能够实现微小应变的精确检测，同时，在过载、冲击、水下浸泡等严苛环境作用之后其电阻响应水平不衰减，此外，还具有结构简单、响应速度快等特点。

技术领域

本发明涉及应变传感器技术领域，具体涉及一种灵敏度高且可在严苛环境条件下长期服役的柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

柔性应变传感器是柔性电子技术中的重要基础型核心元件，在电子皮肤、人机交互、医疗健康和软体机器人等领域有着广泛的应用前景。传统的金属应变片的灵敏度因子较低，约在2～5之间，远远不能满足柔性电子设备中对微小应变的高灵敏检测需求，同时，柔性电子设备在实际服役过程中不可避免地要遭受冲击、重压等复杂的外力作用，以及潮湿甚至腐蚀等严苛环境条件下工作，这就要求柔性应变传感器对这些严苛使用环境有很强的耐受力以保证其长期服役的稳定可靠性。

近年来，研究人员发展了多种柔性应变传感器来优化传感器的灵敏度及其它传感性能，而传感器的高灵敏度和高服役稳定性难以兼得，尤其是传感器在严苛环境条件下服役可靠性常被忽视。例如基于微纳尺度裂纹的柔性应变传感器由于在小应变下具有超高的灵敏度而受到广泛关注，然而裂纹本身就是材料的一种损伤结构，导致器件在服役过程中很容易发生过早损伤甚至断裂，因此，此类应变传感器的服役稳定性和环境耐受力较差，表现为使用寿命低。因此，有必要发展一种灵敏度高、能够长期稳定服役且对严苛应用环境耐受力强的柔性应变传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵敏度高且对严苛环境耐受力强的柔性应变传感器及其制备方法，该传感器具有灵敏度高，在过载、冲击、潮湿及腐蚀等极端使用环境作用后其电阻响应水平不发生衰减，循环响应稳定性好等优点，为发展高性能柔性应变传感器提供了一条新的思路。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种灵敏度高且对严苛环境耐受力强的柔性应变传感器，具体结构包括：柔性衬底(1)、弹性胶粘剂或黏贴双面胶(2)、含规则狭缝阵列的薄板状导电层(3)以及导电层两端连接的金属测试导线(4)。所述薄板状导电层(3)被封装在两层柔性衬底(1)之间，并用弹性胶粘剂或黏贴双面胶(2)粘连；所述柔性衬底(1)在传感器封装前进行预拉伸，与导电层(3)粘连后再释放预拉伸应变；所述导电层(3)中的狭缝在柔性衬底(1)回弹力的作用下窄缩且狭缝两侧产生接触；所述狭缝的长度方向与传感器的拉伸方向垂直，狭缝贯穿导电层(3)的厚度方向而不贯穿导电层宽度方向(即狭缝的长度方向)，整个导电层(3)呈现连续导电结构。

进一步地，所述柔性衬底材料(1)弹性应变量大于5％。

进一步地，所述薄板状导电层(3)为导电聚合物、金属材料或导电复合材料，且具有良好的弹性变形能力或较高的弹性模量，厚度在1μm～1mm。

进一步地，所述狭缝阵列图案由一组垂直于传感器拉伸方向的狭缝沿着传感器拉伸方向均匀排布所构成，所述狭缝的形状可为直线形、波浪形或锯齿型。

本发明还提供灵敏度高且对严苛环境耐受力强的柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)采用微加工方式在薄板状导电材料中加工出具有规则狭缝的阵列图案，所述狭缝宽度为1μm～50μm；

2)在导电层狭缝阵列局部的沟道侧壁处电镀一层金属薄膜，其材质为任意可实现电沉积的金属及其合金；

3)在导电层长度方向的两端连接金属测试导线；