一种基于仿生微结构的柔性应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性传感技术领域，特别是涉及一种基于仿生微结构的柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

个性化健康监测和精准医疗需求的快速增长，推动了可穿戴传感技术的发展。该技术具有对个体的性能和健康信息进行前所未有的原位、实时和持续检测的能力。可穿戴传感器与日常配件或个人设备(手表、隐形眼镜、手套、口罩等)的集成，极大地方便了生理参数的检测和分析。其中，应变传感器与人体皮肤中触觉感受器的作用一样，可以将压力信号转换为电信号，是传感器中最不可或缺的组件，决定着传感器的特点和性能。一般来说，灵敏度(即gauge factor，GF)和工作范围是评价应变传感器传感性能的两个关键指标。然而由于高灵敏度要求传感器在轻微应变下电阻变化较大，而大工作范围则要求传感器在整个拉伸过程中保持良好的导电通路。因此，大多数应变传感器在高灵敏度和高拉伸性之间仍存在权衡关系。为了获得具有高灵敏度、高拉伸性能的应变传感器，通常采用以下方法进行解决这一问题：1)将导电材料-柔性基底相结合；2)设计微结构表面。然而，柔性基底的微结构主要通过传统光刻工艺获得，制备工艺繁琐，成本高昂，所用的试剂也常包含有毒试剂，不利于传感器的广泛应用。因此，现需要一种制备工艺简单，具有生物相容性且具有优异的力学性能，可在大拉伸范围内实现保持高灵敏度。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于仿生微结构的可在大拉伸范围内保持高灵敏度的电阻式柔性应变传感器，解决传统的柔性拉伸应变传感器不能同时兼得高拉伸性和高灵敏度的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于芭蕉叶微结构的电阻式柔性应变传感器。包括：自上而下设置的封装层，导电层和基于微结构的柔性基底。

进一步地，柔性基底上，利用芭蕉叶叶面纹理形成平行脉状微结构。进一步地，柔性基底层材料包括但不限于Ecoflex00-30硅胶与石墨烯混合的基于石墨烯的聚合物复合材料。

进一步地，封装层材料包括但不限于Ecoflex00-30硅胶。

进一步地，导电层材料包括石墨烯和碳纳米管(CNTS)的一维/二维混合材料。

制备基于仿生微结构的柔性应变传感器的方法，包括以下步骤：

步骤1：使用去离子水清洗芭蕉叶，将叶片裁剪下一块标准矩形叶片；

步骤2：将Ecoflex 00-30硅胶的A胶和B胶以质量比1：1混合，经过搅拌并去除气泡后，倾倒在矩形硅模具中，并将固定好的叶片正面反覆盖在其上，在75℃下进行恒温固化，之后从叶片上剥离Ecoflex 00-30硅胶层，获得负Ecoflex 00-30硅胶模具；

步骤3：在负Ecoflex 00-30硅胶模具上用磁控溅射方法溅射100nm厚的铜；

步骤4：机械搅拌Ecoflex 00-30以质量比1：1混合的A胶和B胶，称量定量石墨烯与Ecoflex 00-30硅胶混合，机械搅拌后真空处理去除气泡，获得石墨烯-Ecoflex 00-30硅胶混合物；

步骤5：将16ml石墨烯-Ecoflex 00-30硅胶混合物倾倒在硅模具中，将步骤3中获得的负Ecoflex 00-30硅胶模具反覆盖在石墨烯-Ecoflex 00-30硅胶混合物上，在75℃的加热台上进行恒温干燥固化25min，之后将负模具剥离，获得具有平行脉微结构的基底层；

步骤6：将CNTs浸入无水乙醇中超声1h，之后将石墨烯加入到超声过的含CNTs的无水乙醇溶液中，其石墨烯与CNTs混合质量比例依据待用标准选择1～9：1的多种比例，搅拌30min并超声2h，之后放入干燥箱中70℃干燥24h，得到混合均匀的导电填料。

步骤7：对在步骤5所得到的基底进行预拉伸，将步骤4中所得到的均匀混合体导电填料涂敷在步骤5所得到的基底上；

步骤8：使用导电银胶将导线粘贴在导电填料层左右两端，室温干燥；

步骤9：在导电层上方使用Ecoflex 00-30硅胶以完成封装。

具体地，本发明所用Ecoflex 00-30硅胶为smoth-on品牌的一款双组分液态铂金硅胶(https://m.tb.cn/h.5b7jxqS？tk＝crxBdtE9fv7)，具体地，Ecoflex00-30硅胶预聚液分A胶和B胶两个组分，其中A胶和B胶质量比为1：1。

本发明的有益效果包括：

1、本发明，基底层和封装层采用无毒材料。片状石墨烯导电填料在拉伸状态下互相分离，进而有着较高的灵敏度；在拉伸应变下，通过电阻值的变化，直观的反映出压力的大小。

2、本发明使用天然的芭蕉叶作为模板，芭蕉叶天然地在微米尺度上具有平行排列的脉状微结构，将这种层次化的结构用于柔性应变传感，赋予了基底层更大的形变空间与接触面积。利用Ecoflex00-30硅胶进行复刻其结构，冷却后剥离叶片，形成负Ecoflex 00-30硅胶模具，以此负Ecoflex 00-30硅胶模具进行翻模，传感器可多次利用，面积大小可控。

3、本发明采用基于石墨烯的聚合物复合材料作为柔性基底，石墨烯在聚合物基底内缠结和折叠成复杂的导电网络，当施加应变时，隧道电阻改变，保证了传感器的高灵敏度。

4、本发明的基底层的平行脉状结构提高了传感器的最大应变量，在大拉伸下，虽然片状石墨烯互相分离，但一维材料CNTs的存在保证了此时导电通路不断开，从而在大拉伸范围内保持了有效应变。此外石墨烯和CNTs的混合导电材料具有基于隧穿效应的响应机制，石墨烯与CNTs薄膜缠结和折叠成复杂的导电网络，当施加应变时，隧道电阻改变，进一步保证了传感器的高灵敏度。

5、本发明提供的电阻式拉伸应变传感器，其制作工艺简单，可重复使用，经济性好。

本发明解决了传统的柔性拉伸应变传感不能同时兼得的高拉伸性和高灵敏度，并且不能在大拉伸范围内持续保证高灵敏度的问题。基底层的平行脉状结构与石墨烯和一维CNTs混合导电填料的共同作用，使整个结构有着大的拉伸性，也使其在大拉伸范围内有着有效的持续高灵敏度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的柔性应变传感器的制备方法流程图；

图2仿芭蕉叶结构的柔性基底的制备流程；

图3为仿芭蕉叶结构的柔性基底示意图以及横截面示意图；

图4是本发明一种实施例制备得到的柔性应变传感器结构示意图；

图5是本发明一种实施例制备得到的柔性应变传感器的动态响应测试图；

图6是本发明一种实施例制备得到的柔性应变传感器响应灵敏度测试图；

图7是本发明一种实施例制备得到的柔性应变传感器响应时间图；

图8是本发明一种实施例制备得到的柔性应变传感器循环稳定性测试图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下属说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示，本发明实施例提供的柔性应变传感器的制备方法包括：S101，将Ecoflex 00-30硅胶A胶和B胶以质量比1：1混合经过搅拌并去除气泡后，倾倒在矩形硅模具中，并将固定好的叶片正面反覆盖在其上，在75℃下进行恒温固化，之后从叶片上剥离Ecoflex00-30硅胶层，获得负Ecoflex 00-30硅胶模具；在负Ecoflex 00-30硅胶模具上用磁控溅射方法溅射100nm厚的铜；再将16ml石墨烯-Ecoflex 00-30硅胶混合物倾倒在硅模具中，将镀有铜膜的负Ecoflex 00-30硅胶模具反覆盖在石墨烯-Ecoflex 00-30硅胶混合物上，固化后将负模具剥离，获得具有平行脉微结构的基底层；

S102，将不同质量比的石墨烯与CNTS浸于无水乙醇中，磁力搅拌并充分超声处理，最后恒温干燥，得到均匀混合的导电填料；

S103，将S102中得到的导电填料涂敷在具有平行脉微结构的Ecoflex 00-30硅胶基底层，使用导电银胶将导线固定在传感器两端，使用Ecoflex 00-30硅胶封装，制得基于仿生微结构的电阻式柔性应变传感器。

如图2所示的基于仿生微结构的柔性应变传感器，包括：自上而下设置的上封装层1，导电层2和基于微结构的柔性基底3。在导电层向上两端使用导电银胶固定连接了两条导线21和22。

具体地，如图3所示的柔性基底3具有仿生芭蕉叶的平行脉微结构。这种层次化的结构用于柔性应变传感，赋予了基底层更大的形变空间与接触面积，成为保证大应变量的关键。

具体地，将芭蕉叶成叶按长度分为5段，翻模所用的芭蕉叶选取成叶从叶柄开始第2/5段和第4/5段，平行脉宽度更为均匀，如图3中所示，翻模后柔性基底微结构拱宽b范围应在230-260μm,拱高h在30-40μm。

具体地，通过使用同一负Ecoflex 00-30硅胶模具翻模来控制柔性基底3的结构。

具体地，导电层2由石墨烯与CNTs制得的混合导电填料制成，多维度的导电材料共同作用，保证了导电通路的不断开。

本发明实施例中导电填料的制备方法包括：将CNTs浸入无水乙醇中超声1h，之后将石墨烯加入上述溶液，搅拌30min并超声2h，之后放入干燥箱中70℃干燥24h，得到混合均匀的导电填料。

实施例1：

如图4所制备的基于仿生微结构的柔性应变传感器的方法，包括以下步骤：

(1)使用去离子水清洗芭蕉叶，将叶片裁剪下一块标准矩形叶片，将Ecoflex 00-30硅胶A胶和B胶的混合，经过搅拌并去除气泡后倾倒在矩形硅模具中，并将固定好的叶片正面反覆盖在其上，在75℃下进行恒温固化，之后从叶片上剥离Ecoflex 00-30硅胶层，获得负Ecoflex 00-30硅胶模具；

(2)使用镀膜仪在负Ecoflex 00-30硅胶模具上用磁控溅射方法溅射100nm厚的铜；

(3)机械搅拌Ecoflex 00-30硅胶A胶和B胶的混合物，称取315mg的石墨烯与16mlEcoflex 00-30硅胶混合，获得石墨烯-Ecoflex00-30硅胶混合物，使用磁力搅拌器机械搅拌30min并使用干燥箱真空处理去除气泡后，抽取16ml石墨烯-Ecoflex 00-30硅胶混合物，将其倾倒在矩形硅模具中，并将镀有铜膜的负Ecoflex 00-30硅胶模具反覆盖在石墨烯-Ecoflex 00-30硅胶混合物上，在75℃的加热台上进行恒温干燥固化25min，之后将负Ecoflex 00-30硅胶模具剥离，得到厚度为2mm的具有平行脉微结构的基底层，将柔性基底剪裁成2×4cm尺寸；

(4)称取50mgCNTs浸入无水乙醇中超声1h，之后称取200mg石墨烯加入到超声过的含CNTs的无水乙醇溶液中，其石墨烯与CNTs质量比为4：1，搅拌30min并超声2h，之后放入干燥箱中70℃干燥24h，得到混合均匀的导电填料。

(5)对在步骤(3)所得到的基底进行预拉伸，将步骤(4)中所得到的均匀混合体导电填料涂敷在基底上；

(6)使用导电银胶将导线粘贴在导电填料层左右两端，室温干燥；

(7)在导电层上方是用Ecoflex 00-30硅胶以完成封装，最终制得基于仿生微结构的柔性应变传感器。

具体地，Ecoflex 00-30硅胶A胶和B胶的混合质量比为1：1。

具体地，柔性应变传感器的体积控制在2cm×4cm，厚度约2mm，保证更大的应用范围。

具体地，柔性应变传感器灵敏度具体测试方法为：电阻信号的变化率相对于传感器的相对形变量的斜率定义为传感器的灵敏度，其灵敏度值根据以下公式计算：

具体地，动态响应具体测试方法为：利用拉伸机施加拉力，利用伏安极谱在定量的电压下，收集不同形变量下的电流值。

图5和图6分别是本发明一种实施例制备得到的柔性应变传感器的在5％～120％应变量下的动态响应测试图以及响应灵敏度测试图。可以发现，基于仿生微结构的柔性应变传感器有优异的电学以及力学性能。对不同形变有着优异的动态响应特性，且可在400％～580％大应变下，GF因子高达1662.39。

图7是实施例的响应时间图，可以发现本发明的响应时间能够达到小101ms量级，进一步证明了本发明一种实施例制备得到的柔性应变传感器的高灵敏度性能。

图8为实施例的循环稳定性测试图，本发明能够在近千次循环后仍保有稳定的伏安特性曲线，进一步地，保证了传感器的稳定性。

综上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本专利揭露的技术范围内，可轻易做任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明保护范围之内。