專利名稱：使用摻雜聚合流體的壓阻式應變計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應變計及其制造方法，其中該應變計含有摻雜的聚合流體，
適于測量超過10%的伸長率。
背景技術：
應變計或計量器是用于測量對樣品施加機械力和/或熱力時主要在樣品 表面發(fā)生的尺寸變化。 一種應變計是與樣品表面連接，且機械性地放大表面 的表面變形使得能夠通過指示器對變化進行測量。
在生物流體流的測量中，Whitney(1953)首先引入用于測量響應靜脈阻 塞出現(xiàn)在組織體積中的變化的含汞橡膠(mercury-in-rubber)應變計體積描 記術。使用時，將張力狀態(tài)下的應變計放置在待研究的肢體周圍。盡管 此應變計有效用，但由于其含有汞，因而會對環(huán)境造成破壞，導致處理 的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種應變計，其用于測量能夠出現(xiàn)大變形的 物品，同時不會破壞環(huán)境。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種具有摻雜聚合流體的應變計，其中所述應變計能夠測 量超過10%的變形率，而不會對環(huán)境造成破壞。
通過以下說明、所附的權利要求書和附圖，本發(fā)明的裝置和方法的上述 或其它特點、方面和優(yōu)點將會更清晰。


圖1示出了本發(fā)明的應變計的一個具體實施方式
。
圖2示出了本發(fā)明的應變計的制造方法。
圖3示出了連有拉力的應變計。
圖4為測量的電阻對應變計的拉力作圖。
圖5A 圖5D示出了本發(fā)明應變計的制造方法。
圖6為壓阻式應變計，其使用導電粉末摻雜的聚合流體作為應變計 材料。
圖7為納米流應變計的制造工藝。
圖8顯示測量的拉力vs電阻具有線性關系。
圖9為制得的應變計原型(prototype)，其具有用硅橡膠保持的碳 黑摻雜聚合物流體。
具體實施例方式
以下對具體實施方式
的說明僅出于舉例說明的目的而非用于限定本 發(fā)明及其應用或用途。
以下將對于圖1~5進行說明。
本發(fā)明涉及含有導電流體的應變計以及制造該應變計的方法。通過 本發(fā)明，可獲得能夠測量物品發(fā)生大變形(超過10%)的應變計。因此，本 發(fā)明是現(xiàn)有技術中無法測量大變形或者會破壞環(huán)境的應變計的一個改 良，現(xiàn)有技術的應變計包括金屬線應變計和汞基應變計。
圖1為本發(fā)明的應變計的一個具體實施方式
，該裝置具有以下組件
聚合物通路101、摻雜聚合流體103以及連接測量器的電極105。
聚合物通路101可用適于寬范圍溫度(如-195。C 200。C)且伸長率超 過10%的材料制成。適于作為聚合物通路101的材料的實例包括彈性體， 如衍生自丙烯酸酯、丁基橡膠、碳氟化合物、氟硅氧烷、硫化物、尿烷 (urethanes)、氯丁二烯橡膠(neoprenes)、異戊二烯、硝酸酯、硅酮(silicones)、 丁二烯和苯乙烯丁二烯橡膠(styrene butadienes)的彈性體。樹脂也是合適的 材料，例如環(huán)氧樹脂、苯酚樹脂和聚酰亞胺。聚合物通路101也可以例如與 玻璃纖維摻雜，以改善通路101的特性。
摻雜聚合流體103由混合有導電粉末的非導電聚合流體制成。在一
個實施方式中，非導電流體為通式[R2SiO]n表示的硅化合物，其中《=甲
基、乙基或苯基，n表示重復單元數(shù)目，n為l 100的整數(shù)。其它非導電 性聚合流體包括蓖麻油、礦油和丙二醇。需要向非導電性聚合物加入作 為導電元素的導電粉末。導電粉末的實例為碳黑粉末或金屬粉末。非導
電性聚合物與碳黑粉末的重量比可以是0.5:1 1:3。
用于保留摻雜聚合流體103的槽107的容積為約1 iiL或以上，即聚合 流體通路的容積為約1 pL或以上。在一個實施方式中，槽107的尺寸為 2mm(深)x 5mm(寬)x 20mm(長)。
使用時，應變計的兩端朝相反方向109拉伸。電極105經由連接線(未 示出)向測量系統(tǒng)(未示出)傳輸電信號。測量系統(tǒng)測量應變計變形引起的電 阻變化。通過本發(fā)明的應變計的結構，可以測量變形超過10%的物品。向 應變計施加拉力時，應變計的長度增加，橫截面面積減少。電阻由下式 表示，
電阻=電阻率x長度/橫截面面積
圖2為制造本發(fā)明應變計的一個實施方式。
首先，在硅襯底201中制造聚合物通路，形成槽203。在制造過程中， 使用如光刻膠等的膜涂料。該光刻膠優(yōu)選為負性光刻膠，其適于涂覆較大 部分，對該部分曝光而引發(fā)輻射聚合(activating radiation polymerize),或使 光活性化合物和光刻膠組合物的可聚合物質發(fā)生交聯(lián)。
美國專利號7,211,365公開了適用于本發(fā)明的光刻膠涂料，在此通過參 考的方式將其并入本文。在一個實施方式中，在制造過程中使用了 SU-8 (MicroChem Corp)光亥服。
在另一實施方式中，采用微制造技術如蝕刻和薄膜沉積形成槽203。
如上所述，形成的槽203的容積約為1 pL或以上。在一個優(yōu)選設計中， 槽的長度為最大測量值，是槽的深度的80 300倍。
然后用聚合物蓋205將槽氣封。聚合物蓋的尺寸優(yōu)選與應變計的深度 和長度相等。
如上所述，然后向密封槽注入導電流體，優(yōu)選經由注射器將導電流體 注入應變計的一側209。然而，注射前，在應變計的另一側207形成通氣孔。 然后在預先形成的孔中插入電極(如金屬線)。固定金屬線，用填料如環(huán) 氧樹脂密封該孔。
圖3是本發(fā)明連有拉力的摻雜聚合應變計300的一個實施方式。摻 雜聚合應變計300包括以下組件線電極303和摻雜聚合流體305，且摻
雜聚合應變計300與沿直線方向拉引應變計300的拉力301連接。使用 時，應變計300朝相反方向相對伸展；摻雜聚合流體305的主體部分變 大、變薄。如電極303所測定的，應變計300的電阻因此而增加。通過 適當連接的電路，電阻優(yōu)選通過檢流計被放大和記錄。優(yōu)選放大電阻的 變化，使應變計長度的微小變化能夠使檢流計的指針發(fā)生偏扭，由此檢 測到細微的變化并將其記錄。
在一個實施例中，應變計可以用于測量生物流體流?？梢酝ㄟ^將張 力狀態(tài)下的應變計放置在待研究的肢體周邊進行測量。應變計的電阻隨 著肢體周邊(circumference)的變化而變化。平衡的惠斯通電橋(具有由 應變計形成的一個臂)給出隨著肢體周邊的變化而變化的失衡電壓。電極 與用于測量的檢流計連接。通過本發(fā)明，應變計可測量超過10%的伸長 率，而不會斷裂。
可對應變計的兩端施加拉力。在一個實施方式中，拉力可以通過纏 在應變計兩端的線產生。在另一實施方式中，可以通過底部粘結將應變 計安裝在表面，在該實施方式中，該粘結用于向應變計傳送形變/應力。
圖4示出隨施加的拉力變化的電阻。如圖所示，非線性是由應變計 長度增加的二次項(second-order term)所導致的，由于變形大因此應變計 長度的增加不能被忽視。
實施例
本實施例的應變計通過用兩層聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜包封導電 性硅油和金屬電極制得。以1:10的混合比例混合固化劑和彈性體襯底制 得PDMS(Dow Corning Sylgard 184)。首先，在硅片上涂覆PDMS混合物 薄層，然后在真空室中脫氣15分鐘。然后在70。C烘箱中固化1小時。 PDMS的厚度測定為約500 pm。通過向硅油混合10 30wt% CDX-7055 Ultra (Columbian Chemicals, Co.出品)碳黑粉末或碳納米管制得導電性 硅油。首先在硅片一側連接一對金屬線，制造與應變計材料接觸的電極。 在具有設計了開口的預成形PDMS膜的PDMS膜上通過絲網(wǎng)印刷或壓印 涂覆導電性硅油。在導電性硅油上傾注PDMS混合物層，脫氣，固化使 其凝固以覆蓋應變計材料。從硅襯底移除整個應變計。
圖5示出了制造上述實施例的應變計的方法，其中在硅襯底上涂覆
PDMS層，將其在70°C下固化1小時(圖5(a)),在PDMS膜末端連接金 屬墊，通過絲網(wǎng)印刷涂覆一層碳黑摻雜的硅油(圖5(b))，涂覆另一PDMS 膜以覆蓋碳黑摻雜硅油的同時，露出用于電連接的金屬，然后在70。C固 化1小時(圖5(c))，從硅襯底除去應變計(圖5(d))。
應變計利用導電流體作為壓阻式應變計材料，向其施加拉力時引起 的變形導致其電阻出現(xiàn)變化(圖6)?？赏ㄟ^混合導電粉末和非導電聚合流 體形成導電流體，例如將碳黑粉末與硅油混合。將混合流體填充聚合物 或橡膠基通路，其伸長率可高達40%或以上。通路的兩端與導線連接作 為導線連接之用。向應變計施加拉力時，通路伸展，其橫截面面積減少。 這樣使導電流體的電阻隨著通路的形狀而增加。電阻可以解釋為導電流 體通路的機械應變。
圖6.為壓阻式應變計使用了導電粉末摻雜的聚合流體作為應變計材 料。施加拉力后，應變計長度增加，橫截面面積減少。
基于電阻=電阻率x長度/橫截面面積，測量的電阻因此而增加， 其解釋為應變值。
使用圖案化的SU-8光刻膠作為模具澆鑄成結構明確的槽(圖7)制得 聚合物通路。制得的通路與另一層，即聚合物蓋結合成為準備填充導電 流體的氣封空間。通過在兩端插入注射針向通路注入導電流體，其中之 一用于注入導電流體，另一注射針用于通氣。在填充有導電流體的通路 插入兩條銅線，用環(huán)氧物質密封插入開口處以防止?jié)B漏。完成的應變計 準備好測試其隨施加的力變化的電阻。
圖7.為納米流應變計的制造工藝(a)在硅襯底上將SU-8光刻膠圖 案化，其作為形成聚合物通路的模具，(b)從成型聚合物通路除去SU-8 圖案化的硅襯底，(c)通過旋涂在硅片上形成聚合物膜。固化后，在氧等 離子的表面活化下，聚合物膜與成型聚合物通路結合，(d)向封閉的聚合 物通路的兩端插入注射針。其中之一作為注入導電流體的注射入口之用， 而另一注射針則用作通氣孔。
本發(fā)明的應用
本發(fā)明可用于即時測量變形超過10%的物品，例如生物醫(yī)學樣品，
其不能用傳統(tǒng)的金屬線應變計進行測量，因為傳統(tǒng)的金屬線應變計斷裂 前最多只能測量10%的伸長率。 本發(fā)明的優(yōu)點
本發(fā)明用于制造應變計的金屬線的最大伸長率限制為io%。盡管汞 基應變計可測量更大的伸長率，但其對環(huán)境有害。本發(fā)明使用導電粉末 摻雜聚合流體作為壓阻式應變計材料，使該裝置能夠被用后處置。能夠
測量具有大變形(超過40%)的物品。與固體聚合物比較，流體聚合物的遲 滯性小，其具有更好的響應時間而不用等待平衡。 測試數(shù)據(jù)
繼續(xù)本發(fā)明的研究。降低裝置的成本所用的批量制造方法需要進一 步的研發(fā)。制造了使用碳黑粉末摻雜硅油作為壓阻式應變計的初步原型， 并對其進行測試。測量的電阻隨施加的拉力線性地增加(圖8)。圖8.顯 示測量的拉力vs電阻具有線性關系。由于制造的原型結構其閉合空間沒 有蓋，因此產生了誤差。為了得到進一歩的改進，將研發(fā)利用微制造技術 制造的裝置。
實際的生產和測試
首先，形成初歩原型，使用硅橡膠上的槽保留導電流體而不加蓋(圖 9)。在硅橡膠上形成2mm(深)x5mm(寬)xS0mm(長)的槽，用于保留導電 流體。在槽的兩端插入銅線，用作與檢測用的導電流體之間的電連接。將 50 wt% CDX-7055 Ultra (Columbian Chemicals, Co.出品)碳黑粉末與硅 油混合制得導電流體。將混合導電流體施加到硅橡膠的槽中。將制得的 應變計與夾(clip)連接，將其固定。利用帶刻度的拉力計(scale)向應 變計施加拉力(圖9)。使用萬用表測量應變計的電阻。
圖9為制得的原型，其具有用硅橡膠承載的碳黑摻雜聚合物流體， 該硅橡膠具有兩條連接萬用表的電線。兩端用夾固定，連接到用于施加 拉力的帶刻度的拉力計。測量結果示于圖8。
本發(fā)明通過參考附圖得到詳細說明，然而，應當明白，該具體實施 方式不用于限制本發(fā)明，本領域技術人員可在本發(fā)明的精神和范圍內進 行各種變化和修改。
在所附權利要求書的說明中，應當理解
a) 術語"含有"沒有排除其它物質或所附權利要求列舉的物質的存 在；
b) 說明物質時所用的術語"一種"并沒有排除多種該物質的存在；
c) 權利要求書出現(xiàn)的任何參照號不用于限制其范圍；
d) 除非另有說明，所公開的任何裝置或其部分可與其它部分組合或 分離成部分；且
e) 除非另有說明，對于步驟的順序沒有特別要求。
權利要求
1.使用摻雜聚合流體的壓阻式應變計，其測量的伸長率可超過10％，所述應變計包括-硅襯底中的聚合物通路；-插入所述通路中的摻雜聚合流體；以及-所述聚合物通路兩側的電極。
2. 如權利要求1所述的應變計，其中所述聚合物通路選自由丙烯酸酯/ 鹽、丁基橡膠、碳氟化合物、氟硅氧烷、硫化物、丁二烯、苯乙烯丁二烯 橡膠和樹脂組成的組。
3. 如權利要求1所述的應變計，其中所述摻雜聚合流體由非導電流體 和導電粉末組成。
4. 如權利要求1所述的應變計，其中所述非導電流體由式[R2SiO]n表示，其中11=甲基、乙基或苯基，n為l 100的整數(shù)。
5. 如權利要求3所述的應變計，其中所述導電粉末選自碳黑粉末或金屬粉末。
6. 如權利要求3所述的應變計，其中所述非導電流體和導電粉末以 0.5:1 1:3的重量比混合。
7. 如權利要求1所述的應變計，其中所述通路的體積為約1 pL或以上。
8. 使用摻雜聚合流體的壓阻式應變計的制造方法，其包括以下步驟-制造聚合物通路以形成槽； -氣封所述槽；-在所述聚合物通路中插入通氣孔； -注入摻雜聚合流體； -在通氣孔和注射孔插入電極；以及 -密封所述孔。
9. 如權利要求8所述的方法，其中使用負性光刻膠涂料制造聚合物通路。
10. 使用摻雜聚合流體的壓阻式應變計的制造方法，其包括以下步驟-用聚二甲基硅氧垸涂覆彈性體襯底； -將電極連接到所述聚二甲基硅氧烷的末端； -在所述襯底上沉積應變計材料；-用另一聚二甲基硅氧烷覆蓋所述應變計材料；以及 -固化所述另一聚二甲基硅氧烷。
11. 如權利要求10所述的方法，其中通過沖壓加工對所述應變計材料 進行沉積。
12. 如權利要求IO所述的方法，其中所述應變計材料為摻雜的導電性聚合流體。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用摻雜聚合流體的壓阻式應變計及其制造方法，其中該應變計含有摻雜的聚合流體，適于測量超過10％的伸長率。
文檔編號G01B7/16GK101339001SQ20081013764
公開日2009年1月7日 申請日期2008年7月2日 優(yōu)先權日2007年7月2日
發(fā)明者張燕妮, 鄭慶祥, 晨 鈔 申請人:香港理工大學