一种弹性应变传感器及其制备方法

本发明涉及柔性可穿戴式传感器领域，具体地，涉及一种弹性应变传感器及其制备方法，适用于可穿戴设备、医疗康复训练、人机交互等领域。

背景技术：

随着柔性电子科学的兴起和人体健康医学的发展，弹性传感器因为其便携性、实时性与可靠性在可穿戴设备中的应用备受关注。其中，可穿戴弹性应变传感器在医疗诊断、运动康复、虚拟现实、机器人操纵、体育训练和娱乐等领域都有巨大的应用潜力。

相比传统铜箔式应变片，弹性应变传感器已经有了长足的发展，但距离实用化还有很长的路要走。通过检索现有弹性应变传感器主要采用敏感材料与弹性衬底结合的结构。由于敏感材料与弹性衬底通常弹性模量不同拉伸极限不同，会导致敏感材料与弹性衬底拉伸时存在不同步的问题，影响应变传感器的拉伸性能。现有应变传感器通常使用铜线铜箔连接应变传感材料传递电信号，容易受到敏感材料局部结构改变的影响发生漂移。

xue等人在carbon,2019,147,227-235中提出溅射石墨烯薄膜并转移至聚二甲基硅氧烷的方式制备应变传感器。该传感器具有较高灵敏度，但拉伸范围只有15％，难以满足对人体皮肤表面应变的测试的要求。huang等人在compositesscienceandtechnology,2020中提出一种应变传感器，该传感器使用混合碳纳米管和聚二甲基硅氧烷溶液固化后用激光烧蚀处理的方式制备，该传感器制备流程简易成本低性能容易调节，但仍存在拉伸范围太小的问题。chen等人在acsappliedmaterials&interfaces,2020,12,22200-22211中提出使用ecoflex制作波浪形微流道注入共晶镓铟液态金属的方式制备传感器，该传感器拉伸性能较好但存在着灵敏度低、液态金属容易泄露的问题。

专利文献cn210014750u(申请号：201921131878.3)公开了一种电容式弹性应变传感器与可穿戴产品，以弹性纺织材料为基体，包括弹性结合层、第一导电层、弹性介电层、第二导电层，以及弹性封装层。该电容式弹性应变传感器能够用于可穿戴产品中探测身体部位的应力应变，例如关节弯曲、肌肉拉伸或弯曲、椎体拉伸或弯曲、人体呼吸等，具有舒适、无异物感的优点，并且由于导电层厚度较低在实际应用中受到折叠、揉搓、挤压等外力作用时可保持传感器的性能稳定性。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种弹性应变传感器及其制备方法。

根据本发明提供的一种弹性应变传感器制备方法，包括：

步骤m1：刻蚀max相材料得到mxene材料；

步骤m2：在mxene材料中添加导电材料，得到mxene复合材料；

步骤m3：将mxene复合材料修饰到支撑材料上，形成应变传感器的敏感层；

步骤m4：在基底上涂覆弹性电极支撑层，并图形化；

步骤m5：在弹性电极支撑层上利用剥离工艺制备电极导电层；

步骤m6：去除基底得到弹性电极；

步骤m7：浇铸弹性聚合物制备弹性衬底，将弹性电极转移至弹性衬底上；

步骤m8：将应变传感器的敏感层置于弹性电极上得到弹性应变传感器。

优选地，还包括：浇铸弹性聚合物并固化，完成弹性应变传感器的封装。

优选地，所述导电材料包括纳米导电微粒、一维纳米导电材料和二维纳米导电材料。

优选地，所述纳米导电微粒包括：铜、银、金、铝、镍、锌、铂、钛、钒、炭黑纳米微粒和/或有机纳米导电微粒；

所述一维纳米导电材料包括：铜、银、金、铝、镍、锌、铂、钛、钒纳米线和/或碳纳米管；

所述二位纳米导电材料包括：石墨烯、金属纳米片、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物、过渡金属氧化物、金属-有机框架材料和/或黑磷。

优选地，所述支撑材料包括天然纤维或合成纤维。

优选地，所述弹性电极支撑层的材料包括聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

优选地，所述步骤m4包括：当弹性电极支撑层的材料为光敏性材料时，则对弹性电极支撑层使用光刻工艺图形化；当弹性电极支撑层的材料为非光敏型材料时，在弹性电极支撑层上涂覆光敏材料并使用光刻工艺图形化，刻蚀未被光敏材料遮盖的支撑层，并去除光敏材料得到图形化的支撑层。

优选地，所述电极导电层的材料包括铜、银、金、铝、镍、锌、铂、钛、钒、合金、炭黑、石墨和/或导电聚合物。

优选地，所述弹性聚合物包括硅胶、聚二甲基硅氧烷、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯醇、橡胶和/或弹性塑料。

根据本发明提供的一种弹性应变传感器，所述弹性应变传感器由权利要求1至9任意一种所述的弹性应变传感器制备方法制备而成，包括：弹性聚合物、弹性电极支撑层、弹性电极导电层以及应变传感器的敏感层；

所述弹性聚合物上从下至上依次设置所述弹性电极支撑层、所述弹性电极导电层以及所述应变传感器的敏感层。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明工艺成熟，成品率高，具备规模化生产的潜力；

2、本发明使用mxene复合材料具有良好的电学特性与机械性能，在支撑材料上修饰再转移至弹性电极的方式较直接修饰于弹性电极具备更优的拉伸性能与稳定性；

3、本发明使用弹性电极传输电信号，较其在敏感材料两端引出导线具备更优的电信号捕捉传输能力，提高传感器灵敏度与传感器使用寿命。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种弹性应变传感器制备方法的流程图；

图2为本发明一种弹性应变传感器制备方法的优选流程图；

图3为本发明一种弹性应变传感器制备方法的工艺流程示例图；

图4为本发明弹性应变传感器的截面图；

图5为本发明mxene复合材料电镜照片；

图6为本发明弹性应变传感器弹性电极1实物图；

图7为本发明弹性应变传感器弹性电极2实物图；

图8为本发明弹性应变传感器实物图；

其中，1为max母相材料，2为mxene材料，3为mxene复合材料，4为支撑材料，5为应变传感器的敏感层，6为基底，7为热释放胶带，8为铜箔基底，9为弹性电极支撑层，10为弹性电极导电层，11为弹性电极，12为弹性聚合物。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

根据本发明提供的一种弹性应变传感器制备方法，包括：

步骤m1：刻蚀max相材料得到mxene材料；

步骤m2：在mxene材料中添加导电材料，得到mxene复合材料；

步骤m3：将mxene复合材料修饰到支撑材料上，形成应变传感器的敏感层；

步骤m4：在基底上涂覆弹性电极支撑层，并图形化；

步骤m5：在弹性电极支撑层上利用剥离工艺制备电极导电层；

步骤m6：去除基底得到弹性电极；

步骤m7：浇铸弹性聚合物制备弹性衬底，将弹性电极转移至弹性衬底上；

步骤m8：将应变传感器的敏感层置于弹性电极上得到弹性应变传感器。

mxene材料是二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，是一种新型二维材料，max相是一种三元层状化合物，由m、a和x元素构成，m代表前过渡金属元素(ti、v、zn等)，a代表主族元素(al，si等)，x代表c或n元素。

具体地，还包括：浇铸弹性聚合物并固化，完成弹性应变传感器的封装。

具体地，所述导电材料包括纳米导电微粒、一维纳米导电材料和二维纳米导电材料。

具体地，所述纳米导电微粒包括：铜、银、金、铝、镍、锌、铂、钛、钒、炭黑纳米微粒和/或有机纳米导电微粒；

所述一维纳米导电材料包括：铜、银、金、铝、镍、锌、铂、钛、钒纳米线和/或碳纳米管；

所述二位纳米导电材料包括：石墨烯、金属纳米片、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物、过渡金属氧化物、金属-有机框架材料和/或黑磷。

具体地，所述支撑材料包括天然纤维或合成纤维。

具体地，所述弹性电极支撑层的材料包括聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

具体地，所述步骤m4包括：当弹性电极支撑层的材料为光敏性材料时，则对弹性电极支撑层使用光刻工艺图形化；当弹性电极支撑层的材料为非光敏型材料时，在弹性电极支撑层上涂覆光敏材料并使用光刻工艺图形化，刻蚀未被光敏材料遮盖的支撑层，并去除光敏材料得到图形化的支撑层。

具体地，所述电极导电层的材料包括铜、银、金、铝、镍、锌、铂、钛、钒、合金、炭黑、石墨和/或导电聚合物。

具体地，所述弹性聚合物包括硅胶、聚二甲基硅氧烷、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯醇、橡胶和/或弹性塑料。

根据本发明提供的一种弹性应变传感器，所述弹性应变传感器由权利要求1至9任意一种所述的弹性应变传感器制备方法制备而成，包括：弹性聚合物、弹性电极支撑层、弹性电极导电层以及应变传感器的敏感层；

所述弹性聚合物上从下至上依次设置所述弹性电极支撑层、所述弹性电极导电层以及所述应变传感器的敏感层。

实施例2

实施例2是实施例1的变化例

根据本发明的一实施例，提供了一种弹性应变传感器制备方法，参见图1，包括如下制备步骤：

m1.刻蚀max相材料1得到mxene材料2；

m2.在所述mxene材料2中添加导电材料，得到mxene复合材料3；

m3.将所述mxene复合材料3修饰到支撑材料4上，形成应变传感器的敏感层5；

m4.在基底8上涂覆弹性电极支撑层9，并图形化；

m5.在所述支持层9上利用剥离工艺制备电极导电层10；

m6.去除基底8得到弹性电极11；

m7.浇铸弹性聚合物12制备弹性衬底，将所述弹性电极11转移至所述弹性衬底上；

m8.将所述敏感层5置于所述弹性电极11上。

该方法制备的弹性应变传感器具备良好拉伸性能和稳定性、灵敏度高、响应速度快、制备工艺成熟成品率高。该应变传感器能够实现对大应变的精准快速测量，能够满足医疗诊断、运动康复、虚拟现实、机器人操纵、体育训练和娱乐等领域的要求。

作为优选，参见图2，该方法还包括步骤：

m9.浇铸弹性聚合物12并固化，完成所述弹性应变传感器的封装，如图6-8所示。

本实施例涉及的一种弹性应变传感器制备方法，该弹性应变传感器制备工艺流程如图3所示。利用本发明完成加工的弹性应变传感器截面示意图如图4所示，本实施例的max材料1为ti3alc2，材料2为mxene材料，mxene复合材料3如图5所示为mxene与金纳米颗粒复合材料，支撑材料4为玻璃纤维，5为敏感层，6为玻璃片，7为热释放胶带，8为铜箔基底。本实施例中的弹性电极支撑层9的材料为光敏性聚酰亚胺，厚度5～100微米，弹性电极导电层10的材料为铬银，厚度50～50000纳米，11为弹性电极，弹性聚合物12为聚二甲基硅氧烷。

本实施例的一种弹性应变传感器制备方法的具体加工工艺步骤如下：

(1)制备mxene材料：取1克lif溶解于20毫升浓度为37％的hcl中，在室温下充分混合，取1克ti3alc2-max材料1缓慢的加入到上述溶液中。在35℃下搅拌反应刻蚀24小时。得到的产物使用去离子水反复清洗，直至ph值大于等于6。在室温下自然风干，得到ti3c2-mxene粉末，将ti3c2-mxene粉末在氩气环境保护下超声处理使之分散于水溶液中，接着3500rpm离心1小时，得到深绿色上清液即为mxene材料2溶液。

(2)制备mxene复合材料：取10毫升mxene材料2溶液，加入0.25毫摩尔的haucl4，200微升浓度为37％的hcl，200微升的auseeds(粒径12纳米)，20微升的agno3(30毫摩尔)和10微升的丙烯酸(1摩尔)，快速搅拌1分钟，得到含有金纳米颗粒的mxene复合材料3溶液。

(3)制备传感器敏感层：裁剪玻璃纤维4，滴加mxene复合材料3溶液，置于干燥烘箱中30℃～75℃烘至mxene复合材料3完全干燥得到传感器敏感层5。

(4)制备弹性电极支撑层：使用双面热释放胶带7将铜箔基底8粘贴在玻璃片6表面，在铜箔基底8上涂覆光敏型聚酰亚胺厚度20微米，热板100℃烘1分钟，曝光30-60秒，显影4分钟，漂洗1分钟，得到图形化的弹性电极支撑层9。

(5)利用剥离工艺制备弹性电极导电层：在支撑层9上涂覆光刻胶厚度10微米，热板50℃烘5分钟，100℃烘3分钟，曝光40秒，显影3分钟。热板60℃烘30分钟，溅射30纳米铬200纳米银，去除光刻胶，得到电极导电层10。

(6)制备弹性电极：在电极导电层10上涂覆光刻胶20微米用于在后续湿法刻蚀工艺中保护电极导电层10，热板135℃烘5分钟释放热释放胶带7，湿法刻蚀铜箔基底8，去除光刻胶得到弹性电极11。

(7)转移电极：在玻璃片上浇铸聚二甲基硅氧烷12在60℃预固化30分钟，将弹性电极11粘贴在预固化的聚二甲基硅氧烷12上在60℃环境下烘90分钟至聚二甲基硅氧烷12完全固化。

(8)封装敏感层：将敏感层5放置在弹性电极11上，将聚二甲基硅氧烷12放置在敏感层5上施加压力使敏感层5和弹性电极11充分接触。

作为优选，参见图2，该方法还包括步骤：

浇铸聚二甲基硅氧烷12并固化，最终完成弹性应变传感器的制备。

实施例3

实施例3是实施例1和/或2的变化例

mxene复合材料3为mxene与银纳米线复合材料；支撑材料4为厚度0.3厘米的棉花。

实施例4

实施例4是实施例1和/或2的变化例

mxene复合材料3为mxene与碳纳米管复合材料；弹性电极导电层10材料为铬铜，厚度200nm；弹性聚合物13为具有生物兼容性的硅橡胶；

实施例5

实施例5是实施例1和/或2的变化例

支撑材料4为蚕丝织物。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。