一种应变传感器及其制备方法与流程

本发明实施例涉及传感器技术领域，尤其涉及一种应变传感器及其制备方法。

背景技术：

近年来，电子皮肤在人体健康监测、运动跟踪以及人-机交互等方面受到越来越多的关注。电子皮肤的核心便是传感器，其中，应变传感器作为一类重要的电子传感器件，可以将力学信号同步转化成电信号，从而实现对力学应变的同步传感。应变传感器的类型多种多样，其中，电阻型应变传感器因其器件结构简单，信号处理方便等优势被广泛研究。

目前的电阻型应变传感器主要有两种结构。一种是基于金属薄膜的传感器，该类传感器具有非常高的灵敏度，灵敏系数高达2000。然而其检测范围非常小，最高检测限仅为2％。这主要是因为金属薄膜在大应变下容易完全断裂，造成整个器件失效。因此，该类传感器仅能用于微小形变的检测，如脉搏信号和心电信号等。另一种是基于碳纳米管或金属纳米线等组装的网络结构薄膜。应变变化带来碳纳米管或金属纳米线等相对位置的滑移，从而引起薄膜电阻的变化。这类传感器在大应变作用下结构不发生塌陷，因此其具有很宽的检测范围。然而微小形变，如脉搏跳动、声音振动等对网络结构的影响很小，使得器件对微小形变的检测灵敏度很低。因此，其只能用于大的形变，如指节弯曲等的测量。由此，研制一款既具有较大检测范围又具有较高灵敏度的电阻式应变传感器成为新的研究热点。

技术实现要素：

本发明提供一种应变传感器及其制备方法，以实现获得既具有较宽检测范围又具有较高灵敏度的应变传感器。

第一方面，本发明实施例提供了一种应变传感器，该应变传感器包括：

柔性基底、导电薄膜、第一电极以及第二电极；

柔性基底的一侧具有多个凹坑状微结构；

导电薄膜位于具有多个凹坑状微结构的柔性基底一侧，导电薄膜背离柔性基底的一侧表面具有与多个凹坑状微结构相同的起伏结构；导电薄膜靠近柔性基底的一侧表面具有与多个凹坑状微结构相应的凸起结构；

第一电极和第二电极均设置于导电薄膜背离柔性基底的一侧，且第一电极和第二电极分别设置于导电薄膜的相对两端。

可选的，凹坑状微结构的直径范围为5μm-9μm，凹坑状微结构的深度范围为5μm-6.5μm，相邻凹坑状微结构之间的间距范围为6μm-20μm。

可选的，柔性基底包括基体材料和固化剂；基体材料和固化剂按照预设质量比混合制成。

可选的，基体材料包括聚二甲基硅氧烷pdms或铂催化橡胶ecoflex。

可选的，导电薄膜的材料包括金属或碳。

可选的，导电薄膜沿柔性基底与导电薄膜的层叠方向的厚度范围为50nm-120nm。

可选的，该应变传感器还包括第一封装结构和第二封装结构；第一封装结构覆盖第一电极，第二封装结构覆盖第二电极；第一封装结构的材料以及第二封装结构的材料均与柔性基底的材料相同。

第二方面，本发明实施例还提供了一种应变传感器的制备方法，该方法包括：

形成柔性基底；柔性基底的一侧具有多个凹坑状微结构；

在具有多个凹坑状微结构的柔性基底一侧形成导电薄膜，导电薄膜背离柔性基底的一侧表面具有与多个凹坑状微结构相同的起伏结构；导电薄膜靠近柔性基底的一侧表面具有与多个凹坑状微结构相应的凸起结构；

在导电薄膜背离柔性基底的一侧形成第一电极和第二电极；其中，第一电极和第二电极分别设置于导电薄膜的相对两端。

可选的，形成柔性基底包括：

提供一具有多个凸起微结构的模板；

在模板具有多个凸起微结构的一侧涂覆柔性基底材料；

固化柔性基底材料，并剥离模板以获得具有多个凹坑状微结构的柔性基底。

可选的，具有多个凸起微结构的模板为生物质模板。

可选的，在模板具有多个凸起微结构的一侧涂覆柔性基底材料，包括：

将基体材料和固化剂按照预设质量比混合并去除气泡形成柔性基底材料，涂覆在模板的具有多个凸起微结构的一侧。

可选的，预设质量比的范围为5:1-15:1。

可选的，在导电薄膜背离柔性基底的一侧形成第一电极和第二电极包括：

在导电薄膜背离柔性基底的一侧相对的两端涂覆银胶并在银胶中分别埋入银线，以形成第一电极和第二电极。

可选的，在导电薄膜背离柔性基底的一侧形成第一电极和第二电极之后还包括：

分别在第一电极以及第二电极背离柔性基底的一侧涂覆柔性基底材料并固化，以形成覆盖第一电极的第一封装结构以及覆盖第二电极的第二封装结构；第一封装结构以及第二封装结构均与柔性基底的材料相同。

本发明实施例提供的应变传感器，通过导电薄膜的导电性对应变非常敏感，使得该应变传感器具有较高的灵敏度，同时，该应变传感器的柔性基底的一侧表面经过图案化处理，使得导电薄膜和柔性基底的相互作用更强，在较大的应变作用下，导电薄膜也不会完全断裂。因此，该应变传感器既具有高度的灵敏度，又具有大的检测范围。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种应变传感器；

图2是本发明实施例提供的图1沿a-a方向的剖面图；

图3是本发明实施例提供的图2的爆炸图；

图4是本发明实施例提供的一种应变传感器制备方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的一种柔性基底的表面扫描电镜图；

图6是本发明实施例提供的一种柔性基底的截面扫描电镜图；

图7是本发明实施例提供的一种应变传感器的应变-电阻曲线；

图8是本发明实施例提供的一种应变传感器的稳定性测试测量结果；

图9是本发明实施例提供的一种利用应变传感器测试脉搏的照片；

图10是本发明实施例提供的一种应变传感器的脉搏信号的测量结果；

图11是本发明实施例提供的一种利用应变传感器测试喉咙振动的照片；

图12是本发明实施例提供的一种应变传感器对喉咙发声的测量结果；

图13是本发明实施例提供的一种应变传感器对喉咙吞咽的测量结果；

图14是本发明实施例提供的一种应变传感器对呼吸时喉咙振动的测量结果；

图15是本发明实施例提供的一种利用应变传感器测试手指弯曲的照片；

图16是本发明实施例提供的一种应变传感器对手指弯曲的测量结果；

图17是本发明实施例提供的另一种应变传感器的应变-电阻曲线；

图18是本发明实施例提供的又一种应变传感器的应变-电阻曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种应变传感器，图2是本发明实施例提供的图1沿a-a方向的剖面图，图3是本发明实施例提供的图2的爆炸图。参见图1，该应变传感器包括：柔性基底110、导电薄膜120、第一电极130以及第二电极140。参见图3，柔性基底110的一侧具有多个凹坑状微结构111，导电薄膜120位于具有多个凹坑状微结构的柔性基底110一侧，导电薄膜120背离柔性基底110的一侧表面具有与多个凹坑状微结构相同的起伏结构121，继续参见图1，第一电极130和第二电极140均设置于导电薄膜120背离柔性基底110的一侧，且第一电极130和第二电极140分别设置于导电薄膜120的相对两端。

其中，由于导电薄膜120是膜状的，而非网状或纤维状，使得导电薄膜120的导电性对应变比较敏感，此外，由于柔性基底110靠近导电薄膜120的一侧具有多个凹坑状微结构111，且导电薄膜120背离柔性基底110的一侧表面具有与多个凹坑状微结构相同的起伏结构121，导电薄膜120靠近柔性基底110的一侧表面具有与多个凹坑状微结构对应的凸起结构122，使得导电薄膜120和柔性基底110的相互作用更强，进而使得导电薄膜120能够承受较大的应变。

本发明实施例提供的应变传感器，通过导电薄膜120的导电性对应变非常敏感，使得该应变传感器具有较高的灵敏度，同时，该应变传感器的柔性基底110的一侧表面经过图案化处理，使得导电薄膜120和柔性基底110的相互作用更强，在较大的应变作用下，导电薄膜120也不会完全断裂。因此，该应变传感器既具有高的灵敏度，又具有大的检测范围。即该应变传感器既可以对小形变如脉搏跳动或声音振动等信号进行检测，又可以对大形变如指节弯曲等进行原位跟踪。

在上述技术方案的基础上，继续参见图3，可选的，凹坑状微结构111的直径d范围为5μm-9μm，凹坑状微结构的深度h范围为5μm-6.5μm，相邻凹坑状微结构之间的间距范围l为6μm-20μm。

需要说明的是，图3示例性的示出了凹坑状微结构111呈上宽下窄状，这样设置使得在柔性基底110具有多个凹坑状微结构111一侧蒸镀导电薄膜材料时，导电薄膜材料容易进入到凹坑状微结构111中，但并非对本申请的限定，在其他实施方式中，还可以将凹坑状微结构111设置为上下宽窄一致。此外，图1示例性的示出了多个凹坑状微结构111呈阵列排布，但并非对本申请的限定，在其他实施方式中，凹坑状微结构111还可以无序排列。

可选的，柔性基底包括基体材料和固化剂；基体材料和固化剂按照预设质量比混合制成。可选的，基体材料包括聚二甲基硅氧烷或铂催化橡胶。聚二甲基硅氧烷和铂催化橡胶的柔性和拉伸性较好，能承受较大的应变。

可选的，基体材料和固化剂的比例范围为5:1-15:1，这样设置使得基体材料较容易固化，又能形成拉伸性足够大的柔性基底。

可选的，导电薄膜的材料包括金属或碳。示例性的，导电薄膜的材料为金。

可选的，导电薄膜沿柔性基底与导电薄膜的层叠方向的厚度范围为50nm-120nm。这样设置使得导电薄膜能够承受较大的应变而不发生断裂，进而使形成的应变传感器有更大的检测范围。

可选的，第一电极的材料和第二电极的材料均为银胶。

可选的，该应变传感器还包括第一封装结构和第二封装结构；第一封装结构覆盖第一电极，第二封装结构覆盖第二电极；第一封装结构的材料以及第二封装结构的材料均与柔性基底的材料相同。可以理解的是，应变传感在测试或使用过程中，会拉伸应变传感器，将第一电极和第二电极封装起来，可以避免在拉伸过程中，第一电极以及第二电极与导电薄膜由于接触不稳定而造成的干扰。

示例性的，在导电薄膜相对的两端涂上液体银胶，并在液体银胶中埋入银线。待液体银胶固化后，在银胶周围涂一层液态柔性基底材料，并使之固化。

基于同上的发明构思，本发明实施例还提供了一种应变传感器制备方法，图4是本发明实施例提供的一种应变传感器制备方法的流程图。该方法具体包括：

s110、形成柔性基底，柔性基底的一侧具有多个凹坑状微结构。

具体的，形成柔性基底包括：提供一具有多个凸起微结构的模板，在模板具有多个凸起微结构的一侧涂覆柔性基底材料，固化柔性基底材料，并剥离模板以获得具有多个凹坑状微结构的柔性基底。

可选的，具有多个凸起微结构的模板为生物质模板。可以理解的是，采用荷叶等低成本且可再生的生物质模板作为模板制备图案化柔性基底，使得应变传感器制作工艺简单且成本低廉。

可选的，在模板具有多个凸起微结构的一侧涂覆柔性基底材料。具体为将基体材料和固化剂按照预设质量比混合并去除气泡形成柔性基底材料，涂覆在模板的具有多个凸起微结构的一侧。可选的，预设质量比的范围为5:1-15:1。可选的，基体材料包括聚二甲基硅氧烷或铂催化橡胶。

示例性的，将聚二甲基硅氧烷和固化剂以10:1质量比混合后，放入真空干燥器中抽真空去除气泡，然后将聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合液倾倒于表面具有均匀分布凸起微结构的生物质表面(例如荷叶)，将聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合液在60℃下加热2小时，以使其固化，最后将生物质剥离，以得到其中一表面具有均匀分布凹坑状微结构的柔性基底。

s120、在具有多个凹坑状微结构的柔性基底一侧形成导电薄膜，导电薄膜背离柔性基底的一侧表面具有与多个凹坑状微结构相同的起伏结构。

示例性的，将金材料通过蒸镀或者溅射等方式设置在柔性基底具有多个凹坑状微结构的一面，使得金薄膜和柔性基底能够紧密接触，进而使得金薄膜背离柔性基底的一侧表面具有与多个凹坑状微结构相同的起伏结构。

s130、在导电薄膜背离柔性基底的一侧形成第一电极和第二电极，其中，第一电极和第二电极分别设置于导电薄膜的相对两端。

可选的，在导电薄膜背离柔性基底的一侧相对的两端涂覆银胶并在银胶中分别埋入银线，以形成第一电极和第二电极。

可选的，继续参照图4，在s130之后还包括：分别在第一电极以及第二电极背离柔性基底的一侧涂覆柔性基底材料并固化，以形成覆盖第一电极的第一封装结构以及覆盖第二电极的第二封装结构；第一封装结构以及第二封装结构均与柔性基底的材料相同。

示例性的，在金薄膜两端涂上液体银胶(或液态金属)，并在液体银胶(或液态金属)中埋入银线，等待液体银胶(或液态金属)固化，以获得第一电极和第二电极，在银胶(或金属)周围涂一层聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合液，60℃下加热2小时使聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合液固化，以获得第一封装结构和第二封装结构。

本发明实施例提供的应变传感器制备方法，通过柔性基底的一侧表面经过图案化处理，使得柔性基底和导电薄膜的相互作用更强，在较大的应变作用下，导电薄膜也不会完全断裂。同时，起导电作用的导电薄膜为薄膜状，其导电性对应变非常敏感，使得该应变传感器具有较高的灵敏度。因此，利用该应变传感器制备方法制得的应变传感器既具有高的灵敏度，又具有大的检测范围。使得该应变传感器既可以对小形变如脉搏跳动或声音振动等信号进行检测，又可以对大形变如指节弯曲等进行原位跟踪。

需要说明的是，由于该应力传感器制备方法适用于上述实施方式提供的任一种应变传感器，因此，该应力传感器制备方法具有上述实施方式中的应变传感器相同或相应的有益效果，未详尽解释之处，可参照上文理解，在此不再赘述。

上述应力传感器制备方法的具体应用情况有多种，下面将举例进行详细说明，但不构成对本申请的限制。

示例一，将聚二甲基硅氧烷和固化剂按照10:1质量比混合均匀，并置于真空干燥箱中除去其内部气泡，然后将除去气泡的上述混合液倾倒于固定于培养皿中的具有微米凸起结构的荷叶表面，在60℃下加热2小时使上述混合液完全固化，将荷叶剥离，得到其中一表面具有凹坑状微结构的柔性基底，柔性基底的厚度为0.5mm，这里所述的厚度是指柔性基底沿柔性基底与金薄膜层叠方向的厚度。图5是本发明实施例提供的一种柔性基底的表面扫描电镜图。图6是本发明实施例提供的一种柔性基底的截面扫描电镜图。经过上述步骤之后所获得的柔性基底如图6所示，柔性基底其中一表面均匀分布有直径为5μm-9μm的近圆形凹坑状微结构，且凹坑状微结构上宽下窄，相邻凹坑状微结构的距离为6μm-20μm，凹坑状微结构的深度为5μm-6.5μm，此外，凹坑内和非凹坑处也并非平滑的，而是具有一些褶皱。

接下来，在柔性基底具有凹坑状微结构的表面蒸镀厚度为80nm的金薄膜。在金薄膜背离柔性基底的一侧的相对两端分别涂覆液态银胶并在液态银胶中埋入银线，待液态银胶风干后在银胶周围涂一层聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合液，60℃下加热2小时使之固化。

图7是本发明实施例提供的一种应变传感器的应变-电阻曲线。通过示例一所述的步骤所获得的应变传感器的初始电阻为7欧姆，对其进行拉伸测试，测试结果如图7所示，横轴为拉伸程度，这里所说的拉伸程度指的是应变传感器的形变长度比上应变传感器的原始长度(原始长度和形变长度同方向)，纵轴为拉伸后电阻比上初始电阻，参见图7，可以发现该应变传感器可在0％至90％拉伸范围内实现稳定的响应。

图8是本发明实施例提供的一种应变传感器的稳定性测试测量结果。将通过示例一所述的步骤所获得的应变传感器在60％拉伸程度下作100个循环，测试结果如图8所示。可以看出，在每次从拉伸状态回复到初始状态时，应变传感器的电阻都是可以恢复到初始值，可见，该应变传感器具有良好的稳定性。

图9是本发明实施例提供的一种利用应变传感器测试脉搏的照片。图10是本发明实施例提供的一种应变传感器的脉搏信号的测量结果。将通过示例一所述的步骤所获得的应变传感器放置在手腕部位，采用双面胶将应变传感器和皮肤贴紧，如图9所示。将型号为keithley4200的半导体特性分析仪调节到电阻模式，并将该半导体特性分析仪的源极和漏极分别连接应变传感器的第一电极和第二电极。通过对应变传感器电阻的实时记录，可以得到应变传感器的电阻值随脉搏而产生的电阻值振荡，进而对脉搏过程进行检测记录，检测结果如图10所示。

图11是本发明实施例提供的一种利用应变传感器测试喉咙振动的照片。图12是本发明实施例提供的一种应变传感器对喉咙发声的测量结果。图13是本发明实施例提供的一种应变传感器对喉咙吞咽的测量结果。图14是本发明实施例提供的一种应变传感器对呼吸时喉咙振动的测量结果。将通过示例一所述的步骤所获得的应变传感器放置在喉咙皮肤部位，采用双面胶将器件和皮肤贴紧，如图11所示。将型号为keithley4200的半导体特性分析仪调节到电阻模式，并将该半导体特性分析仪的源极和漏极分别连接应变传感器的第一电极和第二电极。通过对应变传感器电阻的实时记录，可以得到应变传感器的电阻值随喉咙振动而产生的电阻值变化，分别对喉咙发声、喉咙吞咽和呼吸时喉咙振动进行检测记录，检测结果如图12-图14所示。

图15是本发明实施例提供的一种利用应变传感器测试手指弯曲的照片。图16是本发明实施例提供的一种应变传感器对手指弯曲的测量结果。将通过示例一所述的步骤所获得的应变传感器放置在手指关节上，采用双面胶将器件和皮肤贴紧，将型号为keithley4200的半导体特性分析仪调节到电阻模式，并将该半导体特性分析仪的源极和漏极分别连接应变传感器的第一电极和第二电极。通过对应变传感器电阻的实时记录，可以得到应变传感的电阻值随指节弯曲而产生的电阻值变化，进而对手指弯曲运动进行检测记录，检测结果如图16所示。

通过图9-图16可以得出，该应变传感器不仅具有较高的灵敏度，从而能够对脉搏跳动、声音振动等进行检测，而且具有较宽的检测范围，从而能够对指节弯曲等进行原位跟踪。

示例二，将聚二甲基硅氧烷和固化剂按照5:1质量比混合均匀，并置于真空干燥箱中除去其内部气泡，然后将除去气泡的上述混合液倾倒于固定于培养皿中的具有微米凸起结构的荷叶表面，在60℃下加热1.5小时使上述混合液完全固化，将荷叶剥离，得到其中一表面具有凹坑状微结构的柔性基底，柔性基底的厚度为1mm。在柔性基底具有凹坑状微结构的表面蒸镀厚度为120nm的金薄膜。在金薄膜背离柔性基底的一侧的相对两端分别涂覆液态银胶并在液态银胶中埋入银线，待液态银胶风干后在银胶周围涂一层聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合液，60℃下加热2小时使之固化。

图17是本发明实施例提供的另一种应变传感器的应变-电阻曲线。通过示例二所述的步骤所获得的应变传感器的初始电阻为2欧姆，对其进行拉伸测试，测试结果如图17所示，横轴为拉伸程度，纵轴为拉伸后电阻比上初始电阻，参见图17，可以发现该应变传感器可在0％至80％拉伸范围内实现稳定的响应。

通过图7和图17可以得出，金薄膜的厚度是影响应变传感的初始电阻和可拉伸范围的主要因素。

示例三，将聚二甲基硅氧烷和固化剂按照15:1质量比混合均匀，并置于真空干燥箱中除去其内部气泡，然后将除去气泡的上述混合液倾倒于固定于培养皿中的具有微米凸起结构的荷叶表面，在80℃下加热1.5小时使上述混合液完全固化，将荷叶剥离，得到其中一表面具有凹坑状微结构的柔性基底，柔性基底的厚度为0.4mm。在柔性基底具有凹坑状微结构的表面蒸镀厚度为80nm的碳薄膜。在碳薄膜背离柔性基底的一侧的相对两端分别涂覆液态银胶并在液态银胶中埋入银线，待液态银胶风干后在银胶周围涂一层聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合液，60℃下加热2小时使之固化。通过示例三所述的步骤所获得的应变传感器的初始电阻为1000欧姆，可在0％至90％拉伸范围内实现稳定的响应。

通过示例一和示例三可以得出，可以通过改变导电薄膜的材料改变应变传感器的初始电阻。

为了更好的说明采用本发明实施例提供的应变传感器制备方法制备的应变传感器具有较好的性能，本领域技术人员做了示例一的对比例，即示例四。将聚二甲基硅氧烷和固化剂按照10:1质量比混合均匀，并置于真空干燥箱中除去其内部气泡，然后将除去气泡的上述混合液倾倒于培养皿中，在60℃下加热1.5小时使上述混合液完全固化，以得到上下两个表面均为平面的柔性基底，柔性基底厚度为0.5mm。将柔性基底从培养皿中剥离出来，在柔性基底其中一表面蒸镀厚度为80nm的金薄膜。在金薄膜背离柔性基底的一侧的相对两端分别涂覆液态银胶并在液态银胶中埋入银线，待液态银胶风干后在银胶周围涂一层聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合液，60℃下加热2小时使之固化。

图18是本发明实施例提供的又一种应变传感器的应变-电阻曲线。通过示例四所述的步骤所获得的应变传感器的初始电阻为2欧姆，对其进行拉伸测试，测试结果如图18所示，横轴为拉伸程度，纵轴为拉伸后电阻比上初始电阻，参见图18，可以发现该应变传感器可在0％至12.5％拉伸范围内对应变进行响应，在拉伸程度为15％时应变传感器中的金薄膜完全断裂，应变传感器的电阻值为无穷大。

通过图7和图18可以得出，通过图案化柔性基底，使得金薄膜和柔性基底的相互作用更强，进而使应变传感器能够在较大的拉伸范围内进行稳定响应。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。