本實(shí)用新型涉及應(yīng)變傳感領(lǐng)域，特別涉及一種仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)及其形成方法。具體涉及一種在紙質(zhì)基底上通過(guò)印刷制備仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)的方法。在紙質(zhì)基底表面刷涂導(dǎo)電涂層，經(jīng)彎曲斷裂后形成條狀平行裂紋帶，形成特定的仿生裂縫結(jié)構(gòu)。當(dāng)紙質(zhì)基底受力后發(fā)生應(yīng)變時(shí)，裂紋寬度改變，即裂縫壁的接觸程度變化，導(dǎo)致其整體電阻改變，即產(chǎn)生壓阻現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變感知功能。制備的應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)為一種仿生結(jié)構(gòu)，受蝎子振動(dòng)感知啟發(fā)，仿生模本來(lái)源于蝎子振動(dòng)感知的縫感受器。

背景技術(shù)：

以應(yīng)變測(cè)量、感知為目的傳感器是現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用范圍最廣泛的傳感器之一。如將應(yīng)變傳感器應(yīng)用到力的測(cè)量，經(jīng)標(biāo)定后作為力傳感器、稱(chēng)重傳感器；應(yīng)變傳感器與壓力、壓強(qiáng)相聯(lián)系，作為壓力傳感器或經(jīng)面積換算后作為壓力傳感器；應(yīng)變傳感器與加速度聯(lián)系作為加速度傳感器；應(yīng)變傳感器與機(jī)械振動(dòng)聯(lián)系作為振動(dòng)傳感器等。在實(shí)際使用中，對(duì)應(yīng)變、應(yīng)力傳感器一般不嚴(yán)格區(qū)分。此外，隨著近年來(lái)可穿戴設(shè)備、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，柔性應(yīng)變傳感元件在各類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械、智能家居設(shè)備中廣泛應(yīng)用。如在智能手環(huán)上的柔性傳應(yīng)變/應(yīng)力元件對(duì)佩戴者活動(dòng)量的記錄；柔性應(yīng)變傳感片對(duì)于病人呼吸頻率、血壓和脈搏的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及智能家居設(shè)備對(duì)各種振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)等。

作為傳感器的一類(lèi)，應(yīng)變/應(yīng)力測(cè)量感知器件都是將力、應(yīng)變等機(jī)械輸入量轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)量輸出，常見(jiàn)的輸出形式有電阻(電阻式應(yīng)變感知)、電壓(壓電式應(yīng)變感知)和電容(電容式應(yīng)變感知)三種。相對(duì)其他兩種，電阻式應(yīng)變感知原件是最易實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用最廣泛的一種。

目前，電阻式的應(yīng)變/應(yīng)力感知元件可歸納為以下3種類(lèi)型：1、傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變片，以金屬絲、金屬薄片受力后長(zhǎng)度發(fā)生變化而導(dǎo)致電阻發(fā)生微小的變化；或者是近年來(lái)在柔性材料基底上加工出的相互U型連接形成的蜿蜒蛇形狀的應(yīng)變結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度變化較條片狀金屬大很多。2、新材料類(lèi)應(yīng)變感知元件，以納米金屬顆粒(以納米銀、納米金等貴金屬納米粒子最為常見(jiàn))、納米碳管、石墨烯或者是其三者中兩者的混合物為代表的新材料涂覆到柔性基底表面，或作為導(dǎo)電單元嵌入到柔性基底內(nèi)。當(dāng)基底受力發(fā)生變形后，這些納米材料、納米粒子之間的距離發(fā)生變化，電子在其間的穿越能力受到影響，導(dǎo)致整體電阻發(fā)生顯著的變化。3、結(jié)構(gòu)類(lèi)，采用紫外光刻技術(shù)加工制備的各種微納尺寸的結(jié)構(gòu)，(如在接觸表面加工出金字塔結(jié)構(gòu)、圓柱結(jié)構(gòu)等)當(dāng)發(fā)生應(yīng)變后，接觸電阻隨之改變；以及以ZnO為代表的納米線的樹(shù)枝狀交叉結(jié)構(gòu)，在其受力后相互接觸的納米線之間的電子轉(zhuǎn)移效率發(fā)生變化，即整體表現(xiàn)為電阻的變化。

但是，上述3種類(lèi)型還存在以下的不足。金屬片式長(zhǎng)度變化的應(yīng)變片由于其在應(yīng)變時(shí)，長(zhǎng)度變化較小，電阻變化較小，因而應(yīng)變檢測(cè)范圍很小，且其靈敏系數(shù)(gauge factor,GF)一般都不高，在1.5～10以?xún)?nèi)；金屬納米顆粒或者納米碳管、石墨烯等為代表的新材料應(yīng)變傳感器，由于其基底大多為柔性材料，應(yīng)變范圍大、靈敏系數(shù)高，但是貴金屬納米顆粒、納米碳管或者石墨烯材料的成本較高、材料的合成復(fù)雜并且合成工藝的穩(wěn)定性欠佳；光刻技術(shù)加工出微納結(jié)構(gòu)類(lèi)型的應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)，其工藝可靠性較好，但是其制造成本高、制備過(guò)程復(fù)雜；另外，納米線的樹(shù)枝結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)隨機(jī)，參數(shù)調(diào)控難度較大。

蝎類(lèi)經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的漫長(zhǎng)進(jìn)化，其形態(tài)結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生顯著變化。其體表進(jìn)化出了敏銳的裂縫感受器，對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)十分敏感，蝎子依靠收集經(jīng)地表傳遞來(lái)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行捕食獵物和躲避天敵。模仿蝎子的裂縫感受器，在紙基底上印刷制造出一種仿蝎子裂縫感受器的仿生平行裂縫帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)并模仿蝎子的應(yīng)變(振動(dòng))感知功能，可以作為一種經(jīng)濟(jì)、大規(guī)模制備的應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)，具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型是受到蝎子裂縫感受器結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在柔軟的基底材料(紙質(zhì)基底層)上印刷加工出含有多條平行裂縫(裂縫帶)的硬質(zhì)導(dǎo)電層，為非連續(xù)硬質(zhì)層與柔性層的仿生剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型之仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)是在紙質(zhì)基底上形成有具有條狀平行裂縫帶的導(dǎo)電墨水層。

本實(shí)用新型的形成方法是在紙質(zhì)基底上印刷一層導(dǎo)電墨水，導(dǎo)電墨水干涸后形成致密堅(jiān)硬的干涸導(dǎo)電墨水層，然后彎曲紙質(zhì)基底，干涸導(dǎo)電墨水層在彎曲時(shí)斷裂，干涸導(dǎo)電墨水層上有若干平行裂縫，若干平行裂縫構(gòu)成裂縫帶仿生結(jié)構(gòu)，制得仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)。當(dāng)紙質(zhì)基底受力后發(fā)生應(yīng)變，裂縫帶仿生結(jié)構(gòu)的條狀裂縫的裂縫壁之間的接觸程度發(fā)生變化，導(dǎo)致導(dǎo)電墨水層電阻改變，因而有應(yīng)變感知功能。

所述的導(dǎo)電墨水由炭黑作為導(dǎo)電材料、纖維素作為黏度調(diào)節(jié)劑、丙烯樹(shù)脂作為粘結(jié)劑。

受蝎子裂縫感受器啟發(fā)，裂縫感受器為平行的多條裂紋結(jié)構(gòu)，并且裂縫上部的蝎子體表外骨骼為硬質(zhì)材料，下部為皮下組織，其材質(zhì)較軟。由蝎子裂縫感受器結(jié)構(gòu)啟發(fā)，得到了應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)，其為在紙質(zhì)基底上涂覆導(dǎo)電墨水，墨水干涸后形成致密堅(jiān)硬的干涸導(dǎo)電墨水層，掰斷后，干涸導(dǎo)電墨水層形成平行裂縫帶。上部深色區(qū)域?yàn)楦珊詫?dǎo)電墨水層，作為硬質(zhì)材料，附著在較軟的紙質(zhì)基底上，以此形成了非連續(xù)硬質(zhì)層與柔性層的仿生剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)。當(dāng)紙質(zhì)基底受力變形或發(fā)生應(yīng)變后，裂縫壁接合，干涸導(dǎo)電墨水層的電阻發(fā)生變化。

本實(shí)用新型的具體步驟是在紙質(zhì)基底上粘貼掩膜板，掩膜板用于控制導(dǎo)電墨水的涂刷區(qū)域尺寸和形狀，如有需要掩膜板可重復(fù)利用。用筆刷將導(dǎo)電墨水涂抹在掩膜板上，掩膜板上預(yù)制的中空區(qū)域處被印刷上導(dǎo)電墨水。導(dǎo)電墨水主要由炭黑作為導(dǎo)電材料、由纖維素作為黏度調(diào)節(jié)劑、由丙烯樹(shù)脂作為粘結(jié)劑。待導(dǎo)電墨水干涸后，將掩膜板揭下，形成了在紙質(zhì)基底上致密堅(jiān)硬的導(dǎo)電層。用半徑為R的圓柱將其彎曲，導(dǎo)電層斷裂形成與蝎子裂縫感受器類(lèi)似的仿生裂縫結(jié)構(gòu)，用銅箔作為電極，將導(dǎo)電固定到導(dǎo)電墨水層兩端，形成了完整的仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)。

仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)的原理是硬質(zhì)導(dǎo)電層上的裂縫在受力發(fā)生應(yīng)變后，裂縫壁的接觸發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整個(gè)感知結(jié)構(gòu)的電阻發(fā)生變化。當(dāng)制備的仿生應(yīng)變結(jié)構(gòu)受力導(dǎo)致凹狀彎曲時(shí)，硬質(zhì)導(dǎo)電層上的裂縫相互結(jié)合，導(dǎo)致整體的電阻減??；當(dāng)應(yīng)力消除變形回復(fù)時(shí)，接合的裂縫壁斷開(kāi)，電阻變大，變回初始狀態(tài)。制備的仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)受力后，單條裂縫的寬度變小?？梢钥闯?，隨著應(yīng)變的增大，裂縫的寬度減??；應(yīng)變消失后，裂縫寬度恢復(fù)。

本實(shí)用新型其采用炭黑為導(dǎo)電材料的導(dǎo)電墨水涂刷在紙質(zhì)基底上，形成致密的硬質(zhì)導(dǎo)電層；待墨水干涸后用半徑R的圓柱彎曲將導(dǎo)電墨水層掰斷，形成平行條狀裂紋帶。本實(shí)用新型中含有條狀平行裂縫帶的硬質(zhì)導(dǎo)電墨水層涂覆于柔軟的紙質(zhì)基底上的結(jié)構(gòu)受到蝎子感知振動(dòng)的裂縫感受器的啟發(fā)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在柔軟的基底材料(紙質(zhì)基底層)上印刷加工出含有多條平行裂縫(裂縫帶)的硬質(zhì)導(dǎo)電層，為非連續(xù)硬質(zhì)層與柔性層的仿生剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)。紙基底受力后發(fā)生應(yīng)變后，導(dǎo)電層的裂縫寬度發(fā)生變化，即裂縫壁接觸狀態(tài)隨之改變，導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)電層的電阻發(fā)生變化，達(dá)到應(yīng)變感知的效果。本實(shí)用新型采用炭黑為導(dǎo)電材料的導(dǎo)電墨水在紙基底上涂刷，其導(dǎo)電材料、基底材料較當(dāng)前應(yīng)變傳感器成本低廉。本實(shí)用新型模仿蝎子裂縫感受器的振動(dòng)感知結(jié)構(gòu)，制備的仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)靈敏系數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。同時(shí)，采用掩膜印刷的方式，具有制備簡(jiǎn)單、適合大批量印刷制備，且制備材料為低碳環(huán)保材料。

附圖說(shuō)明

圖1為蝎子裂縫感受器切片結(jié)構(gòu)圖。

圖2為由蝎子裂縫感受器啟發(fā)得到的紙基底上的仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)。

圖3為仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)制備過(guò)程的貼附掩膜板示意圖。

圖4為仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)制備過(guò)程的掩膜印刷示意圖。

圖5為仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)制備過(guò)程的掩膜板從紙質(zhì)基底上揭下示意圖

圖6為仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)制備過(guò)程的彎曲干涸導(dǎo)電墨水層示意圖。

圖7為安裝電極后的仿生應(yīng)變結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為仿生應(yīng)變感知應(yīng)變消失舒展的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為仿生應(yīng)變感知應(yīng)變后壓縮的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10為仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)電鏡照片。

圖11為仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)裂縫電鏡照片。

圖12為仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)受力后發(fā)生應(yīng)變單條裂縫的寬度變化照片。

圖13為仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)變時(shí)的弦長(zhǎng)-電阻變化曲線圖。

圖14為仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)的靈敏系數(shù)曲線圖。

其中(圖3中)：1—紙質(zhì)基底；2—掩膜板；3—導(dǎo)電墨水；4—筆刷；5—導(dǎo)電墨水層；6—圓柱；7—導(dǎo)線；8—銅箔電極；9—干涸導(dǎo)電墨水層。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，根據(jù)蝎子裂縫感受器切片結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，得到了如圖2所示的紙質(zhì)基底1上的仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)。圖1中，箭頭標(biāo)注處為蝎子體表堅(jiān)硬的幾丁質(zhì)外殼，其下為蝎子柔軟的皮下組織，硬質(zhì)幾丁質(zhì)外殼被圖中標(biāo)注的1～7條裂縫分割，形成平行裂縫帶結(jié)構(gòu)。由此啟發(fā)得到的仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)如圖2所示，上層為致密堅(jiān)硬的導(dǎo)電層，粘附于較柔軟的紙質(zhì)基底1上。同時(shí)，導(dǎo)電層上有多條平行裂縫，形成類(lèi)似蝎子裂縫感受器結(jié)構(gòu)的應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在柔軟的基底材料(紙質(zhì)基底層)上印刷加工出含有多條平行裂縫(裂縫帶)的硬質(zhì)導(dǎo)電層，為非連續(xù)硬質(zhì)層與柔性層的仿生剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)。

如圖7所示，本實(shí)用新型是在紙質(zhì)基底1上形成有具有條狀裂縫帶的導(dǎo)電墨水層5。仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)如圖10所示。

本實(shí)用新型的形成方法如圖3、圖4、圖5、圖6和圖7所示，將掩膜板2貼附于紙質(zhì)基底1紙上。掩膜板2預(yù)制的中空控制涂刷導(dǎo)電層的形狀以及尺寸，掩膜板2的厚度用于控制涂刷導(dǎo)電層的厚度；同時(shí)，如有需要掩膜板2可重復(fù)利用。用筆刷4將導(dǎo)電墨水3涂覆于掩膜板2覆蓋的紙質(zhì)基底1上，進(jìn)行掩膜印刷。導(dǎo)電墨水3由炭黑作為導(dǎo)電材料、纖維素作為黏度調(diào)節(jié)劑、丙烯樹(shù)脂作為粘結(jié)劑，其干涸后形成致密、較紙質(zhì)基底1堅(jiān)硬的干涸導(dǎo)電墨水層9。導(dǎo)電墨水3成膜干涸后，將掩膜板2從紙質(zhì)基底1上揭下，用半徑R的圓柱6彎曲，導(dǎo)致干涸導(dǎo)電墨水層9斷裂，其上有若干裂縫，形成含有條狀平行裂縫帶的導(dǎo)電墨水層5。此時(shí)含有條狀裂縫帶的導(dǎo)電墨水層5行成了與蝎子裂縫感受器類(lèi)似的裂縫帶仿生結(jié)構(gòu)。用銅箔電極8和導(dǎo)線7粘貼在條狀裂縫帶的導(dǎo)電墨水層5的兩端，形成了仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)。

當(dāng)紙質(zhì)基底1受力發(fā)生形變后，其上的含有條狀裂縫帶的導(dǎo)電墨水層5中的裂縫寬度發(fā)生變化，即裂縫壁的接觸面積發(fā)生改變。當(dāng)紙質(zhì)基底1受力壓縮發(fā)生如圖8和圖9所示的形變后，含有條狀裂縫帶的導(dǎo)電墨水層5中的裂縫壁接合，其電阻減小，由此實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變感知。

當(dāng)采用以炭黑作為導(dǎo)電材料、纖維素作為黏度調(diào)節(jié)劑、丙烯樹(shù)脂作為粘結(jié)劑調(diào)配成的導(dǎo)電墨水3，用上述方法刷涂于紙質(zhì)基底1，掩膜板的厚度為0.2mm，使用半徑為1mm的圓柱6彎曲后，制備的仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)電鏡照片如圖5所示，裂縫的平均間隔為290μm左右。如圖11所示，裂縫穿過(guò)導(dǎo)電墨水層9，一直深入到紙質(zhì)基底1內(nèi)。當(dāng)紙質(zhì)基底1發(fā)生如圖8和圖9所示的應(yīng)變后，裂縫帶寬度發(fā)生變化，裂縫壁相互結(jié)合并擠壓。仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)受力后發(fā)生應(yīng)變單條裂縫的寬度變化如圖12所示，可以看出裂縫寬度隨著應(yīng)變?cè)龃竺黠@變小，由此推斷出裂縫壁結(jié)合緊密，整體電阻變小。仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)變時(shí)的弦長(zhǎng)-電阻變化曲線如圖13所示，紙質(zhì)基底1的壓縮應(yīng)變程度越大，含有條狀裂縫帶的導(dǎo)電墨水層5的電阻越小。仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)的靈敏系數(shù)曲線如圖14所示，其靈敏系數(shù)可進(jìn)行分段線性擬合，最大靈敏系數(shù)可達(dá)到-647，其中負(fù)號(hào)表示受到壓縮后電阻變小時(shí)的靈敏系數(shù)。