一种电极端抗拉伸的柔性应变传感器及其制备方法与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种电极端抗拉伸的柔性应变传感器及其制备方法。


背景技术：

2.柔性应变传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、弯折性、应变性等。由于材料和结构灵活，柔性应变传感器可以根据应用场景任意布置，比如柔性纤维应变传感器能够被用于制作衣物，这种衣物具有健康监测功能，可以对人身体的脉搏、呼吸、震颤和肢体动作等信息随时捕捉，有助于推动健康评估与疾病诊断技术向智能化、远程化、高效化、精准化等方向发展。因此，研究一种信号传输稳定的柔性应变传感器具有重要的意义。
3.柔性应变传感器的优点是灵敏度高、结构简单且具有可穿戴功能。一般的柔性应变传感器是由柔性基底、电阻层和柔性封装层，以及可采集传感信息的电极组成(其中柔性基底和电阻层可为一体)，比如柔性电阻式拉伸传感器般是在拉力的作用下让电阻层发生形变，改变系统电路的阻值，进而得出应变值。常见的柔性应变传感器都是以电阻层与电极直接接触来传输信号，电阻层为柔性基底材料，电极一般采用金属电极，两者存在严重的应变不匹配现象，会导致柔性应变传感器在工作时电阻层与电极的脱离，影响信号的稳定性和连续性。现有的采用在电极端黏结硬质薄膜或薄板(三明治结构)来阻止电极端的形变，也有在电极端基底中加入其他刚性树脂来进行加强的方法，但是仍然存在如下问题：1、硬质薄膜或薄板与柔性基底黏结性差，容易出现界面分离。2、外层薄膜或薄板黏结只能阻止柔性基底的表面变形。3、刚性树脂增强导电端树脂混合工艺难度大，容易形成梯度增强界面。4、电极端增强树脂与柔性基体树脂两相树脂易分层，黏结界面不牢固。5、其他树脂增强电极端难与应变传感部分一体成型，易造成电阻层断层或不连续。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种电极端抗拉伸的柔性应变传感器及其制备方法，所述的传感器导电稳定性良好，同时还具有柔性和可弯折性，能够满足更多的应用场景，电极端无拉伸性，能够有效的防止拉伸变形。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种电极端抗拉伸的柔性应变传感器，从上至下依次包括上封装层、电极、电阻层、下基底层；
7.所述上封装层的两端设有至少一层纤维布；
8.所述下基底层的两端设有至少一层纤维布。
9.通过在上封装层、下基底层的两端设置纤维布，能够制备得到电极端无拉伸性的传感器，在工作中，电极的导电稳定性良好，同时还具有柔性和可弯折性，能够满足更多的应用场景，防止拉伸变形。
10.一方面，由于纤维本身具有一定的刚度，能够提高树脂基体的基本性能，在拉伸时，所述的纤维布承担拉力的作用，从而降低传感器的弹性表现，另外一方面，所述的上封装层、下基底层的树脂与纤维之间粘结，二者结合性能好，从而能够有效的承担拉力，从而降低传感器的弹性表现，防止拉伸变形。
11.作为本发明的优选实施方案，所述纤维布为棉布、玻璃纤维布、碳纤维布、化纤布、无纺布中的至少一种。
12.作为本发明的优选实施方案，所述纤维布单层的厚度不超过500μm，孔径为1μm～1000μm。
13.本发明的发明人在大量的研究中发现，通过采用上述特定厚度和孔径的纤维布，能够可阻止弹性体电极端的拉伸变形，所述的制成上封装层、下基底层的胶液中的弹性体材料能够有效的填充于纤维布孔隙，从而有效的提高表面强度，防止拉伸变形。
14.作为本发明的优选实施方案，所述纤维布单层的厚度为100～400μm，孔径为10μm～100μm。特别是在上述特定的厚度和孔径下，填充效果更好，能够更加有效的防止拉伸变形。
15.作为本发明的优选实施方案，所述下基底层和上封装层为同种材料。
16.通过将下基底层和上封装层选择为同种材料，不会发生粘结现象，能够更进一步提高结构的稳定性，且制备方法简单，便于产业化生产。
17.作为本发明的优选实施方案，所述下基底层为pdms固化薄膜、tpu固化薄膜或ecoflex固化薄膜。当下基底层、上封装层为上述薄膜时，便于纤维布的上胶和浸胶，能够有效的提高应变量、拉伸强度和耐疲劳性能，而若采用常用的橡胶等弹性体，会导致无法对纤维布进行浸胶，只能上胶后，粘附与表面。
18.作为本发明的优选实施方案，所述电阻层通过涂覆导电填料而成，所述导电填料为碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑、还原氧化石墨烯、碳纤维中的一种。
19.作为本发明的优选实施方案，所述电极为金属电极端子、金属导线或金属垫片。
20.本发明还提供了一种电极端抗拉伸的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
21.将纤维布进行裁剪，使其尺寸与电极区域相对应，将纤维布铺于模具中，倒入pdms、tpu或ecoflex胶液，固化，制备得到下基底层；
22.将导电填料浆料涂覆或转印于下基底层上，将电极放置在下基底层的两端，再倒入pdms、tpu或ecoflex胶液，固化，得到电极端抗拉伸的柔性应变传感器。
23.作为本发明的优选实施方案，如下(a)～(d)中至少一项：
24.(a)所述pdms胶液包括pdms、固化剂，所述pdms、固化剂的质量比为(8～12)：1；
25.(b)所述tpu胶液的质量浓度为8～35％；
26.(c)所述ecoflex胶液包括ecoflex、稀释剂，所述ecoflex、稀释剂的质量比为(8～12)：1；
27.(d)所述导电浆料包括导电填料、溶剂，所述导电填料的质量浓度为0.2～40％。
28.本发明的有益效果在于：(1)本发明所述的导电稳定性良好，同时还具有柔性和可弯折性，能够满足更多的应用场景，电极端无拉伸性，能够有效的防止拉伸变形；(2)本发明所述的传感器在拉伸时，所述的纤维布承担拉力的作用，所述的上封装层、下基底层的树脂
与纤维之间结合性能好，从而能够有效的承担拉力，从而降低传感器的弹性表现，防止拉伸变形；(3)本发明所述的特定厚度和孔径的纤维布，能够可阻止弹性体电极端的拉伸变形，所述的制成上封装层、下基底层的胶液中的弹性体材料能够有效的填充于纤维布孔隙，从而有效的提高表面强度，防止拉伸变形。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.本发明所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
附图说明
31.图1为本发明所述的电极端抗拉伸的柔性应变传感器的整体结构示意图。
32.图2为本发明所述的电极端抗拉伸的柔性应变传感器的爆炸结构示意图。
33.图3为本发明实施例1所制备得到的传感器在汽车轮胎内部进行应变监测时的应变。
34.图4为实施例2所制备得到的电极端抗拉伸的柔性应变传感器。
35.图5为将实施例1、对比例1所制备得到的传感器进行拉伸挤压测试前后的对比图；其中图5a为对比例1制备得到的应变传感器电极端；图5b为受到拉伸挤压后对比例1制备得到的应变传感器电极端的电极端；图5c为实施例1制备得到的应变传感器电极端；图5d为受到拉伸挤压后实施例1制备得到的应变传感器电极端的电极端。
36.实施例1
37.请参阅图1、图2，本实施例提供了一种电极端抗拉伸的柔性应变传感器，从上至下依次包括上封装层1、电极3、电阻层4、下基底层5；
38.所述上封装层1的两端设有两层纤维布2；
39.所述下基底层5的两端设有两层纤维布2。
40.所述纤维布为无纺纤维布。
41.所述纤维布单层的厚度为200μm，孔径为50μm。
42.所述下基底层和上封装层为同种材料，所述下基底层为pdms固化薄膜。
43.所述电阻层通过涂覆导电填料而成，所述导电填料包括碳纳米管、石墨。
44.所述电极为金属导线。
45.所述的电极端抗拉伸的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
46.将纤维布进行裁剪，使其尺寸与电极区域相对应，将纤维布铺于模具中，控制厚度在0.5mm，倒入pdms胶液，放入真空烘箱中真空除泡0.5h，使纤维布完全浸胶后，在60℃下固化，制备得到下基底层；pdms胶液包括pdms、有机烯铂固化剂，所述pdms、有机烯铂固化剂的质量比为10：1；
47.将导电填料浆料涂覆于下基底层上，控制导电层的厚度为0.5mm，将0.5mm的电极放置在下基底层的两端，再倒入与下基底层中相同的pdms胶液，固化，得到电极端抗拉伸的
柔性应变传感器。
48.所述导电浆料包括0.5重量份碳纳米管、1.5重量份石墨、98重量份无水乙醇。
49.将本实施例制备的纤维增强电极端的柔性应变传感器贴于汽车轮胎内部进行应变监测，可明显监测不同载荷下轮胎滚动时的应变，如图3所示，图3中i区域反应为小载荷应变，ii区域反应为大载荷应变。
50.实施例2
51.请参阅图1、图2，本实施例提供了一种电极端抗拉伸的柔性应变传感器，从上至下依次包括上封装层1、电极3、电阻层4、下基底层5；
52.所述上封装层1的两端设有两层纤维布2；
53.所述下基底层5的两端设有两层纤维布2。
54.所述纤维布为无纺纤维布。
55.所述纤维布单层的厚度为300μm，孔径为60μm。
56.所述下基底层和上封装层为同种材料，所述下基底层为pdms固化薄膜。
57.所述电阻层通过涂覆导电填料而成，所述导电填料包括碳纳米管、石墨。
58.所述电极为金属导线。
59.所述的电极端抗拉伸的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
60.将纤维布进行裁剪，使其尺寸与电极区域相对应，将纤维布铺于模具中，控制厚度在0.5mm，倒入pdms胶液，放入真空烘箱中真空除泡0.5h，使纤维布完全浸胶后，在60℃下固化，制备得到上封装层、下基底层；pdms胶液包括pdms、有机烯铂固化剂，所述pdms、有机烯铂固化剂的质量比为10：1；
61.将导电填料浆料涂覆于下基底层上，然后使用激光刻印出间隔为0.5毫米的电路后，将0.5mm的电极放置在下基底层的两端，再倒入与下基底层中相同的pdms胶液，固化，得到电极端抗拉伸的柔性应变传感器，如图4所示。
62.所述导电浆料包括0.8重量份炭黑、1.2重量份石墨、98重量份无水乙醇。
63.实施例3
64.请参阅图1、图2，本实施例提供了一种电极端抗拉伸的柔性应变传感器，从上至下依次包括上封装层1、电极3、电阻层4、下基底层5；
65.所述上封装层1的两端设有两层纤维布2；
66.所述下基底层5的两端设有两层纤维布2。
67.所述纤维布为无纺纤维布。
68.所述纤维布单层的厚度为400μm，孔径为40μm。
69.所述下基底层和上封装层为同种材料，所述下基底层为ecoflex固化薄膜。
70.所述电阻层通过涂覆导电填料而成，所述导电填料包括炭黑、石墨。
71.所述电极为金属导线。
72.所述的电极端抗拉伸的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
73.将纤维布进行裁剪，使其尺寸与电极区域相对应，将纤维布铺于模具中，控制厚度在0.5mm，倒入ecoflex胶液，放入真空烘箱中真空除泡0.5h，使纤维布完全浸胶后，在60℃下固化，制备得到下基底层；ecoflex胶液包括ecoflex、环己烷，所述ecoflex、环己烷的质量比为10：1；
74.将导电填料浆料转印于下基底层上，控制导电层的厚度为0.5mm，将0.5mm的电极放置在下基底层的两端，再倒入与下基底层中相同的ecoflex胶液，固化，得到电极端抗拉伸的柔性应变传感器。
75.所述导电浆料包括0.5重量份碳纳米管、1.5重量份石墨、98重量份无水乙醇。
76.实施例4
77.请参阅图1、图2，本实施例提供了一种电极端抗拉伸的柔性应变传感器，从上至下依次包括上封装层、电极、电阻层、下基底层；
78.所述上封装层1的两端设有纤维布；
79.所述下基底层5的两端设有纤维布。
80.所述纤维布为无纺纤维布。
81.所述纤维布单层的厚度为100μm，孔径为100μm。
82.所述下基底层和上封装层为同种材料，所述下基底层为tpu固化薄膜。
83.所述电阻层通过涂覆导电填料而成，所述导电填料包括碳纳米管、石墨。
84.所述电极为金属导线。
85.所述的电极端抗拉伸的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
86.将纤维布进行裁剪，使其尺寸与电极区域相对应，将纤维布铺于模具中，控制厚度在0.5mm，倒入质量浓度为10％的tpu胶液(溶剂为n,n-二甲基甲酰胺)，放入真空烘箱中真空除泡0.5h，使纤维布完全浸胶后，在60℃下固化，制备得到下基底层；tpu胶液包括tpu、固化剂，所述tpu、固化剂的质量比为10：1；
87.将导电填料浆料涂覆于下基底层上，控制导电层的厚度为0.5mm，将0.5mm的电极放置在下基底层的两端，再倒入与下基底层中相同的tpu胶液，固化，得到电极端抗拉伸的柔性应变传感器。
88.所述导电浆料包括0.5重量份碳纳米管、1.5重量份石墨、98重量份无水乙醇。
89.实施例5
90.请参阅图1、图2，本实施例提供了一种电极端抗拉伸的柔性应变传感器，从上至下依次包括上封装层、电极、电阻层、下基底层；
91.所述上封装层1的两端设有纤维布；
92.所述下基底层5的两端设有纤维布。
93.所述纤维布为玻璃纤维布。
94.所述纤维布单层的厚度为500μm，孔径为100μm。
95.所述下基底层和上封装层为同种材料，所述下基底层为pdms固化薄膜。
96.所述电阻层通过涂覆导电填料而成，所述导电填料包括碳纳米管、石墨。
97.所述电极为金属导线。
98.制备方法同实施例1。
99.实施例6
100.实施例6与实施例1不同之处在于，实施例6采用碳纤维布替换实施例1所述的无纺纤维布，其他都相同。
101.对比例1
102.对比例1与实施例1不同之处在于，对比例1所述的上封装层、下基底层上没有纤维
布，其他都相同。
103.测试例
104.将实施例1与对比例1所制备得到的传感器在同一拉伸挤压力下，测试结果见图5，图5a为对比例1制备得到的应变传感器电极端；图5b为受到拉伸挤压后对比例1制备得到的应变传感器电极端的电极端；图5c为实施例1制备得到的应变传感器电极端；图5d为受到拉伸挤压后实施例1制备得到的应变传感器电极端的电极端；从图中可看出，本发明所制备得到的传感器，在受到拉伸挤压后，纤维布增强的电极端无明显的形变，能较好的保持形状，使导电层与金属电极的接触不受到显著影响，而对比例1所述的传感器有明显形变。
105.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。