本發(fā)明涉及柔性應力傳感器制備工藝，具體涉及一種制備同時具有大拉伸范圍和高靈敏度的柔性應力傳感器的方法。

背景技術：

隨著人工智能技術的迅猛發(fā)展，人類對人機交流的要求日益提高，具有仿人類觸覺、嗅覺、聽覺、視覺等感知功能的人造柔性電子器件在這場革命中占據(jù)了極其重要的位置。由于柔性應力傳感器在探測脈搏、心跳等方面的優(yōu)勢使其在醫(yī)療健康領域有廣泛的應用前景，成為人造柔性電子器件的核心組成。目前，制造拉力傳感器的主流方式是在拉伸過程中將傳感器的形變轉化為電阻值的變化。其中一種方法是在聚合物中填充導電物質(zhì)，例如Ag納米線、碳粉和金屬顆粒等，從而獲得導電彈性體。另外一種方法是在柔性基底上面嵌入或堆疊導電的結構，例如金屬膜、單壁碳納米管、導電高分子和碳納米管的復合物等，進而得到具有多層結構的拉力傳感器。其中通過在柔性基地上面附著一層具有高導電率的金屬膜而制備的具有多層結構的傳感器靈敏度最高，然而這種傳感器的拉伸范圍極小，限制了其發(fā)展與應用。因此，迫切需要一種靈敏度高，同時探測形變量大的應力傳感器

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于：提供一種制備過程簡單，顯著提升基于金屬膜的傳感器拉伸范圍同時兼顧其靈敏度的新方法。通過在柔性基底和金屬膜之間引入一層納米線結構，極大地提升了傳感器地拉伸范圍，同時保證其具有較高靈敏度。

本發(fā)明的具體技術方案如下：

一種柔性應力傳感器，包括：

基底，所述基底由柔性材料制成，并且至少一個表面的至少一部分上具有團簇納米線的結構；

導電層，所述導電層包括形成在所述基底的所述納米線結構上的高導電率的膜；

所述柔性應力傳感器能夠在外界拉力作用下發(fā)生彈性形變，經(jīng)過納米線結構的緩沖，基底的形變傳導至表面的金屬導電層，從而在其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，從而導致傳感器電阻值隨拉伸比例增大而線性增大。

優(yōu)選地，所述柔性材料為硅橡膠。

優(yōu)選地，所述納米線直徑為200-600nm，長度為1-6μm，納米線的中心間距為250-650nm。

優(yōu)選地，所述導電層包括在所述基底的所述納米線結構上沉積的金屬膜。

優(yōu)選地，所述金屬膜的金屬種類包括鉑、金、銅、銀的一種或多種。

優(yōu)選地，所述金屬膜的厚度為10-1000nm。

本發(fā)明提供一種制備根據(jù)以上技術方案之一所述的柔性應力傳感器的方法，包括以下步驟：

1)配制混合預聚物：將有機硅低聚物、交聯(lián)劑和改性劑混合；

2)制備具有團簇納米線的結構的硅橡膠基底：將步驟1)所得液態(tài)預聚物滴加到模板上，進行聚合交聯(lián)固化反應，然后將其浸泡在70-90℃的腐蝕液中2-4小時以去除模板得到團聚的納米線結構；

3)制備金屬導電層：在基底上沉積一層金屬膜。

優(yōu)選地，所述有機硅低聚物為聚合度為60左右的端乙烯基的聚二甲基硅氧烷；所述交聯(lián)劑為端甲基的聚二甲基硅氧烷；所述改性劑為乙氧基聚乙烯亞胺水溶液。

優(yōu)選地，所述有機硅低聚物、交聯(lián)劑和改性劑的比例為(5-10g):(0.5-1g):(10-40μL)。

優(yōu)選地，所述模板上設置有團簇的孔陣列，所述孔的直徑為200-600nm，深度為1-6um，孔中心的間距為250-650nm。

優(yōu)選地，所述步驟3)所述沉積金屬的方法包括低溫濺射、蒸發(fā)鍍膜。

優(yōu)選地，所述模板為陽極氧化鋁模板。

本發(fā)明通過使用陽極氧化鋁模板在硅橡膠基底上引入團簇的納米線結構，在其上面噴鍍一層金屬膜作為導電層，相對于無結構的基底極大地提高了柔性應力傳感器的拉伸范圍，同時傳感器具有極高的靈敏度。本發(fā)明的傳感器通過中間存在的納米線結構減緩基底拉伸對頂部金屬膜的影響，避免了金屬膜貫穿性裂痕的產(chǎn)生和電阻值的急劇上升，從而提高基于金屬膜的傳感器拉伸范圍。本發(fā)明的柔性應力傳感器具有以下優(yōu)點：具有大的拉伸范圍，最大可以探測130％的形變；極高的靈敏度，靈敏度參數(shù)(Gauge Factor)最高達到3.3×10⁷，初始狀態(tài)最小可探測0.015％的形變；制備流程簡單，成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的柔性應力傳感器的表面結構微觀圖像。

圖2為本發(fā)明傳感器工作原理示意圖。

圖3為表面具有不同長度納米線長度的傳感器電阻隨拉伸比例的變化，電阻隨拉伸比例增大而線性增加。

圖4為傳感器最大拉伸范圍與表面納米線長度的關系。

圖5為納米線長度為4μm時傳感器靈敏度變化情況。

圖6為納米線長度為4μm時傳感器梯度拉伸情況。

圖7為納米線長度為4μm時傳感器探測最小拉伸比例的梯度拉伸情況。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明技術方案予以進一步的說明。

如圖1-2所示，根據(jù)本發(fā)明的一種柔性應力傳感器，包括：

基底，所述基底由柔性材料制成，并且至少一個表面的至少一部分上具有團簇納米線的結構；

導電層，所述導電層包括形成在所述基底的所述納米線結構上的高導電率的膜。

如圖2所示，所述柔性應力傳感器能夠在外界拉力作用下發(fā)生彈性形變，經(jīng)過納米線結構的緩沖，基底的形變傳導至表面的金屬導電層，從而在其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，從而導致傳感器電阻值隨拉伸比例增大而線性增大。

優(yōu)選地，所述柔性材料為硅橡膠。

優(yōu)選地，所述納米線直徑為200-600nm，長度為1-6μm，納米線的中心間距為250-650nm。

優(yōu)選地，所述導電層包括在所述基底的所述納米線結構上沉積的金屬膜。

優(yōu)選地，所述金屬膜的金屬種類包括鉑、金、銅、銀的一種或多種。

優(yōu)選地，所述金屬膜的厚度為10-1000nm。

本發(fā)明提供一種制備根據(jù)以上技術方案之一所述的柔性應力傳感器的方法，包括以下步驟：

1)配制混合預聚物：將有機硅低聚物、交聯(lián)劑和改性劑混合；

2)制備具有團簇納米線的結構的硅橡膠基底：將步驟1)所得液態(tài)預聚物滴加到模板上，進行聚合交聯(lián)固化反應，然后將其浸泡在70-90℃的腐蝕液中2-4小時以去除模板得到團聚的納米線結構；

3)制備金屬導電層：在基底上沉積一層金屬膜，通過導線連接與皮安計(吉時利6487)電極相連，在5V電壓下測量其電阻值。

優(yōu)選地，所述有機硅低聚物為聚合度為60左右的端乙烯基的聚二甲基硅氧烷；所述交聯(lián)劑為端甲基的聚二甲基硅氧烷；所述改性劑為乙氧基聚乙烯亞胺水溶液。

優(yōu)選地，所述有機硅低聚物、交聯(lián)劑和改性劑的比例為(5-10g):(0.5-1g):(10-40μL)。

優(yōu)選地，所述步驟3)所述沉積金屬的方法包括低溫濺射、蒸發(fā)鍍膜。

優(yōu)選地，所述模板為陽極氧化鋁模板。

實施例1

本發(fā)明通過使用陽極氧化鋁模板在硅橡膠基底上引入團簇的納米線結構(如圖1)，在其上面噴鍍一層金屬膜作為導電層，從而達到兼顧基于金屬膜的傳感器靈敏度和拉伸范圍的目的。具體步驟如下：

(1)取有機硅低聚物10g、交聯(lián)劑0.5g和改性劑40μL，攪拌混合均勻；

(2)取少量所得混合物滴加到孔直徑為200nm，孔深為1μm，孔中心間距為250nm的陽極氧化鋁模板上，靜置半小時，在110℃溫度下進行聚合交聯(lián)固化反應4小時，然后將其浸泡在70-90℃的腐蝕液中2-4小時以去除模板，得到表面具有直徑為200nm，長度為1μm，中心間距為250nm的團簇納米線結構的硅橡膠基底；

(3)使用低溫濺射基底上沉積一層厚90nm的金屬鉑，即可得到本發(fā)明所述傳感器。

實施例2

本發(fā)明通過使用陽極氧化鋁模板在硅橡膠基底上引入團簇的納米線結構(如圖1)，在其上面噴鍍一層金屬膜作為導電層，從而達到兼顧基于金屬膜的傳感器靈敏度和拉伸范圍的目的。具體步驟如下：

(1)取有機硅低聚物10g、交聯(lián)劑1g和改性劑30μL，攪拌混合均勻；

(2)取少量所得混合物滴加到孔直徑為400nm，孔深為4μm，孔中心間距為450nm的陽極氧化鋁模板上，靜置半小時，在110℃溫度下進行聚合交聯(lián)固化反應4小時，然后將其浸泡在70-90℃的腐蝕液中2-4小時以去除模板，得到表面具有直徑為400nm，長度為4μm，中心間距為450nm的團簇納米線結構的硅橡膠基底；

(3)在基底上通過蒸發(fā)蒸鍍沉積一層厚1000nm的金屬金，即可得到本發(fā)明所述傳感器。

實施例3

本發(fā)明通過使用陽極氧化鋁模板在硅橡膠基底上引入團簇的納米線結構(如圖1)，在其上面噴鍍一層金屬膜作為導電層，從而達到兼顧基于金屬膜的傳感器靈敏度和拉伸范圍的目的。具體步驟如下：

(1)取有機硅低聚物10g、交聯(lián)劑0.5g和改性劑40μL，攪拌混合均勻；

(2)取少量所得混合物滴加到孔直徑為600nm，孔深為6μm，孔中心間距為650nm的陽極氧化鋁模板上，靜置半小時，在110℃溫度下進行聚合交聯(lián)固化反應4小時，然后將其浸泡在70-90℃的腐蝕液中2-4小時以去除模板，得到表面具有直徑為600nm，長度為6μm，中心間距為650nm的團簇納米線結構的硅橡膠基底；

(3)使用電鍍基底上沉積一層厚10nm的金屬銀，即可得到本發(fā)明所述傳感器。

圖4是實施例1中的傳感器最大拉伸范圍與表面納米線長度的關系。圖5是實施例1中的方法制備的納米線長度為4μm時傳感器靈敏度變化情況。圖6為實施例1中的方法制備的納米線長度為4μm時傳感器梯度拉伸情況。圖7為實施例1中的方法制備的納米線長度為4μm時傳感器探測最小拉伸比例的梯度拉伸情況。從以上各圖可以看出，該產(chǎn)品同時具有大拉伸范圍和高靈敏度。

當然，本發(fā)明還可以有多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據(jù)本發(fā)明的公開做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明的權利要求的保護范圍。