一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器及其制备方法

本发明涉及柔性应变传感器技术，尤其涉及一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器及其制备方法。

背景技术：

1、压阻式应变传感器是一类可将外界刺激信号引起的器件变形转换为阻值电信号输出的传感装置。灵敏度和耐久性是该类传感器性能的重要衡量指标，在实际应用中具有关键作用。传统的压阻式应变传感器受结构设计及材料变形程度限制，无法实现较高的灵敏度，基于此，大量研究通过预拉伸、溶剂溶胀法及模板转移法等方式在传感器中引入了裂纹结构。裂纹基应变传感器的工作原理为：拉伸或压缩作用下，近乎贯穿的纳米级直裂纹边缘断开—重连，导致裂纹结构中导电粒子接触面积改变，进而引起传感器电阻变化。裂纹虽赋予传感器较高的灵敏度，但其本身的结构特性对传感器的耐久性提出了挑战。实际应用场景下，裂纹存在引发的结构失效也对传感器的使用寿命构成了极大威胁。因此，如何在提高灵敏度的同时保障传感器的耐久性，仍是当前亟待解决的难题。

2、自然界中的节肢动物如蝎子、蜘蛛等经历亿万年的演化，在其腿部进化出对周围振动信号灵敏感知的狭缝感受器，且在生命历程的几十万次交变载荷下能保证狭缝结构的安全性。研究发现，节肢动物的感知灵敏性源于狭缝结构，而结构安全性与组成缝感受器的表皮膜及多尺度分层结构密切相关。受此启发，本发明提出一种长效稳健且对大应变具有高承载性能的仿生柔性应变裂纹传感器及其制备方法，以实现传感器高灵敏度与强耐久性的兼顾，对于推广柔性应变传感器在可穿戴电子设备中的应用具有重要意义。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、针对现有裂纹基压阻式应变传感器耐久性不足的问题，本发明的目的在于提供一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器及其制备方法，通过在裂纹传感器中引入负泊松比拉胀结构层和磁性纤维止裂层结构，提高传感器的灵敏度和耐久性。

3、（二）技术方案

4、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

5、一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器，包括，

6、由上而下依次排列的：柔性拉胀结构层、裂纹栅敏感层和磁性纤维止裂层；

7、所述柔性拉胀结构层为具有负泊松比特性的拉胀结构；

8、所述裂纹栅敏感层与柔性拉胀结构层相对的一面具有裂纹阵列结构，裂纹阵列结构包括凹槽；

9、所述磁性纤维止裂层内嵌有磁性微米粒子生长形成的磁性纤维结构；

10、所述裂纹栅敏感层与柔性拉胀结构层相邻一面设有电极，电极左右对称排布于裂纹阵列结构边缘，左电极与右电极不相交；

11、所述柔性拉胀结构层、裂纹栅敏感层和纤维止裂层均采用柔性材料制成。

12、所述拉胀结构厚度为150-200μm；

13、所述裂纹阵列结构厚度为250-300μm，其上凹槽的深度为10-20μm，凹槽之间的平均间距为400-420μm；

14、所述纤维止裂层厚度为250-300μm。

15、所述柔性材料为聚二甲基硅氧烷pdms、聚酰亚胺pi、聚酰胺pa或聚对苯二甲酸乙二醇酯pet中的一种。

16、所述裂纹栅敏感层由激光诱导石墨烯技术加工，经高温石墨化处理所得裂纹凹槽具有导电性。

17、本发明还提供一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器，包括以下步骤：

18、步骤一、基于模板法制备具有负泊松比拉胀结构的上层柔性拉胀结构作为柔性拉胀结构层；

19、步骤二、采用飞秒激光加工结合激光诱导石墨烯技术在柔性基底上加工裂纹阵列结构作为裂纹栅敏感层；

20、步骤三、将分散有磁性微米粒子的柔性基底混合液置于强磁场中，导电微米粒子沿磁场方向运动固化后得到磁性纤维止裂层；

21、步骤四、将裂纹栅敏感层覆盖于磁性纤维止裂层上，再将柔性拉胀结构层置于裂纹栅敏感层上，且裂纹栅敏感层有裂纹阵列结构及电极一侧与柔性拉胀结构层无结构侧相对，即获得仿生柔性应变裂纹传感器。

22、所述步骤一包括：

23、采用树脂材料熔融沉积3d打印方法按预设图案进行加工，得到拉胀结构反向图案模板；

24、将柔性预聚物与固化剂以10:1的质量比混合，搅拌均匀后将混合液注入拉胀结构反向图案模板，固化剥离后得到所需拉胀结构，用于作为柔性拉胀结构层。

25、所述步骤二包括：

26、将柔性预聚物溶液旋涂于玻璃板上，固化成型后作为基底材料，采用飞秒激光加工方法结合激光诱导石墨烯技术按预设图案将其表面直接石墨化，得到所需裂纹阵列结构。

27、所述步骤三包括：

28、将磁性微米粒子、柔性预聚物及固化剂混合，搅拌均匀后旋涂于经去离子水清洗的玻璃基板上，将玻璃基板置于强磁场中使磁性微米粒子沿磁场方向重新排列，固化剥离后得到磁性纤维止裂层。

29、所述步骤四包括：

30、在裂纹栅敏感层裂纹阵列结构左侧连接铜导线作为左电极；

31、在裂纹栅敏感层裂纹阵列结构右侧连接铜导线作为右电极；

32、左电极和右电极不相交。

33、（三）有益效果

34、本发明的有益效果是：

35、（1）相比于其他基于裂纹效应的电阻式柔性应变传感器，本发明的柔性应变传感器通过引入具有负泊松比特性的拉胀结构层和具有磁性微米粒子的纤维止裂层，提高了传感器的耐久性，实现了裂纹基传感器高灵敏度与强耐久性的兼顾。

36、（2）作为裂纹基传感器的薄弱组成，当外界应力高于某一阈值时，裂纹极易产生大变形，进而引发结构失效。本发明引入的负泊松比拉胀结构在传感器结构纵向受拉时产生横向膨胀，可显著提高传感器的承载能力。

技术特征：

1.一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器，其特征在于，包括，

2.根据权利要求1所述的一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器，其特征在于，

5.一种权利要求4所述的一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤一包括：

7.根据权利要求6所述的一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤二包括：

8.根据权利要求7所述的一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤三包括：

9.根据权利要求8所述的一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤四包括：

技术总结
本发明提供一种长效稳健的仿生柔性应变裂纹传感器及其制备方法，该仿生柔性应变裂纹传感器包括：由上而下依次排列的柔性拉胀结构层、裂纹栅敏感层和纤维止裂层；其中所述裂纹栅敏感层具有多条激光加工制成的裂缝结构，所述柔性拉胀结构层由内凹六边形阵列组成，所述纤维止裂层中嵌有微米粒子生长的磁性纤维。上述仿生柔性应变裂纹传感器以拉胀层与纤维层为增韧结构，通过敏感层中裂纹结构接触面积的变化改变电阻大小，可以实现外界微小应变向电信号的转化，并且具有高灵敏、强耐久的特点，可用于可穿戴电子设备、软体机器人等领域。

技术研发人员：张俊秋,张雪萍,孙涛,韩志武,宋洪烈,陈豫,任砚铭,高骥琪,武家超,谷向博,李雪阳,张俊峰
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/29