专利名称：使用掺杂聚合流体的压阻式应变计的制作方法
技术领域：
本发明涉及应变计及其制造方法，其中该应变计含有掺杂的聚合流体，
适于测量超过10%的伸长率。
背景技术：
应变计或计量器是用于测量对样品施加机械力和/或热力时主要在样品 表面发生的尺寸变化。 一种应变计是与样品表面连接，且机械性地放大表面 的表面变形使得能够通过指示器对变化进行测量。
在生物流体流的测量中，Whitney(1953)首先引入用于测量响应静脉阻 塞出现在组织体积中的变化的含汞橡胶(mercury-in-rubber)应变计体积描 记术。使用时，将张力状态下的应变计放置在待研究的肢体周围。尽管 此应变计有效用，但由于其含有汞，因而会对环境造成破坏，导致处理 的问题。
本发明的目的在于提供一种应变计，其用于测量能够出现大变形的 物品，同时不会破坏环境。
发明内容
本发明提出一种具有掺杂聚合流体的应变计，其中所述应变计能够测 量超过10%的变形率，而不会对环境造成破坏。
通过以下说明、所附的权利要求书和附图，本发明的装置和方法的上述 或其它特点、方面和优点将会更清晰。
图1示出了本发明的应变计的一个具体实施方式
。
图2示出了本发明的应变计的制造方法。
图3示出了连有拉力的应变计。
图4为测量的电阻对应变计的拉力作图。
图5A 图5D示出了本发明应变计的制造方法。
图6为压阻式应变计，其使用导电粉末掺杂的聚合流体作为应变计 材料。
图7为纳米流应变计的制造工艺。
图8显示测量的拉力vs电阻具有线性关系。
图9为制得的应变计原型(prototype)，其具有用硅橡胶保持的碳 黑掺杂聚合物流体。
具体实施例方式
以下对具体实施方式
的说明仅出于举例说明的目的而非用于限定本 发明及其应用或用途。
以下将对于图1~5进行说明。
本发明涉及含有导电流体的应变计以及制造该应变计的方法。通过 本发明，可获得能够测量物品发生大变形(超过10%)的应变计。因此，本 发明是现有技术中无法测量大变形或者会破坏环境的应变计的一个改 良，现有技术的应变计包括金属线应变计和汞基应变计。
图1为本发明的应变计的一个具体实施方式
，该装置具有以下组件
聚合物通路101、掺杂聚合流体103以及连接测量器的电极105。
聚合物通路101可用适于宽范围温度(如-195。C 200。C)且伸长率超 过10%的材料制成。适于作为聚合物通路101的材料的实例包括弹性体， 如衍生自丙烯酸酯、丁基橡胶、碳氟化合物、氟硅氧烷、硫化物、尿烷 (urethanes)、氯丁二烯橡胶(neoprenes)、异戊二烯、硝酸酯、硅酮(silicones)、 丁二烯和苯乙烯丁二烯橡胶(styrene butadienes)的弹性体。树脂也是合适的 材料，例如环氧树脂、苯酚树脂和聚酰亚胺。聚合物通路101也可以例如与 玻璃纤维掺杂，以改善通路101的特性。
掺杂聚合流体103由混合有导电粉末的非导电聚合流体制成。在一
个实施方式中，非导电流体为通式[R2SiO]n表示的硅化合物，其中《=甲
基、乙基或苯基，n表示重复单元数目，n为l 100的整数。其它非导电 性聚合流体包括蓖麻油、矿油和丙二醇。需要向非导电性聚合物加入作 为导电元素的导电粉末。导电粉末的实例为碳黑粉末或金属粉末。非导
电性聚合物与碳黑粉末的重量比可以是0.5:1 1:3。
用于保留掺杂聚合流体103的槽107的容积为约1 iiL或以上，即聚合 流体通路的容积为约1 pL或以上。在一个实施方式中，槽107的尺寸为 2mm(深)x 5mm(宽)x 20mm(长)。
使用时，应变计的两端朝相反方向109拉伸。电极105经由连接线(未 示出)向测量系统(未示出)传输电信号。测量系统测量应变计变形引起的电 阻变化。通过本发明的应变计的结构，可以测量变形超过10%的物品。向 应变计施加拉力时，应变计的长度增加，横截面面积减少。电阻由下式 表示，
电阻=电阻率x长度/横截面面积
图2为制造本发明应变计的一个实施方式。
首先，在硅衬底201中制造聚合物通路，形成槽203。在制造过程中， 使用如光刻胶等的膜涂料。该光刻胶优选为负性光刻胶，其适于涂覆较大 部分，对该部分曝光而引发辐射聚合(activating radiation polymerize),或使 光活性化合物和光刻胶组合物的可聚合物质发生交联。
美国专利号7,211,365公开了适用于本发明的光刻胶涂料，在此通过参 考的方式将其并入本文。在一个实施方式中，在制造过程中使用了 SU-8 (MicroChem Corp)光亥服。
在另一实施方式中，采用微制造技术如蚀刻和薄膜沉积形成槽203。
如上所述，形成的槽203的容积约为1 pL或以上。在一个优选设计中， 槽的长度为最大测量值，是槽的深度的80 300倍。
然后用聚合物盖205将槽气封。聚合物盖的尺寸优选与应变计的深度 和长度相等。
如上所述，然后向密封槽注入导电流体，优选经由注射器将导电流体 注入应变计的一侧209。然而，注射前，在应变计的另一侧207形成通气孔。 然后在预先形成的孔中插入电极(如金属线)。固定金属线，用填料如环 氧树脂密封该孔。
图3是本发明连有拉力的掺杂聚合应变计300的一个实施方式。掺 杂聚合应变计300包括以下组件线电极303和掺杂聚合流体305，且掺
杂聚合应变计300与沿直线方向拉引应变计300的拉力301连接。使用 时，应变计300朝相反方向相对伸展；掺杂聚合流体305的主体部分变 大、变薄。如电极303所测定的，应变计300的电阻因此而增加。通过 适当连接的电路，电阻优选通过检流计被放大和记录。优选放大电阻的 变化，使应变计长度的微小变化能够使检流计的指针发生偏扭，由此检 测到细微的变化并将其记录。
在一个实施例中，应变计可以用于测量生物流体流。可以通过将张 力状态下的应变计放置在待研究的肢体周边进行测量。应变计的电阻随 着肢体周边(circumference)的变化而变化。平衡的惠斯通电桥(具有由 应变计形成的一个臂)给出随着肢体周边的变化而变化的失衡电压。电极 与用于测量的检流计连接。通过本发明，应变计可测量超过10%的伸长 率，而不会断裂。
可对应变计的两端施加拉力。在一个实施方式中，拉力可以通过缠 在应变计两端的线产生。在另一实施方式中，可以通过底部粘结将应变 计安装在表面，在该实施方式中，该粘结用于向应变计传送形变/应力。
图4示出随施加的拉力变化的电阻。如图所示，非线性是由应变计 长度增加的二次项(second-order term)所导致的，由于变形大因此应变计 长度的增加不能被忽视。
实施例
本实施例的应变计通过用两层聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜包封导电 性硅油和金属电极制得。以1:10的混合比例混合固化剂和弹性体衬底制 得PDMS(Dow Corning Sylgard 184)。首先，在硅片上涂覆PDMS混合物 薄层，然后在真空室中脱气15分钟。然后在70。C烘箱中固化1小时。 PDMS的厚度测定为约500 pm。通过向硅油混合10 30wt% CDX-7055 Ultra (Columbian Chemicals, Co.出品)碳黑粉末或碳纳米管制得导电性 硅油。首先在硅片一侧连接一对金属线，制造与应变计材料接触的电极。 在具有设计了开口的预成形PDMS膜的PDMS膜上通过丝网印刷或压印 涂覆导电性硅油。在导电性硅油上倾注PDMS混合物层，脱气，固化使 其凝固以覆盖应变计材料。从硅衬底移除整个应变计。
图5示出了制造上述实施例的应变计的方法，其中在硅衬底上涂覆
PDMS层，将其在70°C下固化1小时(图5(a)),在PDMS膜末端连接金 属垫，通过丝网印刷涂覆一层碳黑掺杂的硅油(图5(b))，涂覆另一PDMS 膜以覆盖碳黑掺杂硅油的同时，露出用于电连接的金属，然后在70。C固 化1小时(图5(c))，从硅衬底除去应变计(图5(d))。
应变计利用导电流体作为压阻式应变计材料，向其施加拉力时引起 的变形导致其电阻出现变化(图6)。可通过混合导电粉末和非导电聚合流 体形成导电流体，例如将碳黑粉末与硅油混合。将混合流体填充聚合物 或橡胶基通路，其伸长率可高达40%或以上。通路的两端与导线连接作 为导线连接之用。向应变计施加拉力时，通路伸展，其横截面面积减少。 这样使导电流体的电阻随着通路的形状而增加。电阻可以解释为导电流 体通路的机械应变。
图6.为压阻式应变计使用了导电粉末掺杂的聚合流体作为应变计材 料。施加拉力后，应变计长度增加，横截面面积减少。
基于电阻=电阻率x长度/横截面面积，测量的电阻因此而增加， 其解释为应变值。
使用图案化的SU-8光刻胶作为模具浇铸成结构明确的槽(图7)制得 聚合物通路。制得的通路与另一层，即聚合物盖结合成为准备填充导电 流体的气封空间。通过在两端插入注射针向通路注入导电流体，其中之 一用于注入导电流体，另一注射针用于通气。在填充有导电流体的通路 插入两条铜线，用环氧物质密封插入开口处以防止渗漏。完成的应变计 准备好测试其随施加的力变化的电阻。
图7.为纳米流应变计的制造工艺(a)在硅衬底上将SU-8光刻胶图 案化，其作为形成聚合物通路的模具，(b)从成型聚合物通路除去SU-8 图案化的硅衬底，(c)通过旋涂在硅片上形成聚合物膜。固化后，在氧等 离子的表面活化下，聚合物膜与成型聚合物通路结合，(d)向封闭的聚合 物通路的两端插入注射针。其中之一作为注入导电流体的注射入口之用， 而另一注射针则用作通气孔。
本发明的应用
本发明可用于即时测量变形超过10%的物品，例如生物医学样品，
其不能用传统的金属线应变计进行测量，因为传统的金属线应变计断裂 前最多只能测量10%的伸长率。 本发明的优点
本发明用于制造应变计的金属线的最大伸长率限制为io%。尽管汞 基应变计可测量更大的伸长率，但其对环境有害。本发明使用导电粉末 掺杂聚合流体作为压阻式应变计材料，使该装置能够被用后处置。能够
测量具有大变形(超过40%)的物品。与固体聚合物比较，流体聚合物的迟 滞性小，其具有更好的响应时间而不用等待平衡。 测试数据
继续本发明的研究。降低装置的成本所用的批量制造方法需要进一 步的研发。制造了使用碳黑粉末掺杂硅油作为压阻式应变计的初步原型， 并对其进行测试。测量的电阻随施加的拉力线性地增加(图8)。图8.显 示测量的拉力vs电阻具有线性关系。由于制造的原型结构其闭合空间没 有盖，因此产生了误差。为了得到进一歩的改进，将研发利用微制造技术 制造的装置。
实际的生产和测试
首先，形成初歩原型，使用硅橡胶上的槽保留导电流体而不加盖(图 9)。在硅橡胶上形成2mm(深)x5mm(宽)xS0mm(长)的槽，用于保留导电 流体。在槽的两端插入铜线，用作与检测用的导电流体之间的电连接。将 50 wt% CDX-7055 Ultra (Columbian Chemicals, Co.出品)碳黑粉末与硅 油混合制得导电流体。将混合导电流体施加到硅橡胶的槽中。将制得的 应变计与夹(clip)连接，将其固定。利用带刻度的拉力计(scale)向应 变计施加拉力(图9)。使用万用表测量应变计的电阻。
图9为制得的原型，其具有用硅橡胶承载的碳黑掺杂聚合物流体， 该硅橡胶具有两条连接万用表的电线。两端用夹固定，连接到用于施加 拉力的带刻度的拉力计。测量结果示于图8。
本发明通过参考附图得到详细说明，然而，应当明白，该具体实施 方式不用于限制本发明，本领域技术人员可在本发明的精神和范围内进 行各种变化和修改。
在所附权利要求书的说明中，应当理解
a) 术语"含有"没有排除其它物质或所附权利要求列举的物质的存 在；
b) 说明物质时所用的术语"一种"并没有排除多种该物质的存在；
c) 权利要求书出现的任何参照号不用于限制其范围；
d) 除非另有说明，所公开的任何装置或其部分可与其它部分组合或 分离成部分；且
e) 除非另有说明，对于步骤的顺序没有特别要求。
权利要求
1.使用掺杂聚合流体的压阻式应变计，其测量的伸长率可超过10％，所述应变计包括-硅衬底中的聚合物通路；-插入所述通路中的掺杂聚合流体；以及-所述聚合物通路两侧的电极。
2. 如权利要求1所述的应变计，其中所述聚合物通路选自由丙烯酸酯/ 盐、丁基橡胶、碳氟化合物、氟硅氧烷、硫化物、丁二烯、苯乙烯丁二烯 橡胶和树脂组成的组。
3. 如权利要求1所述的应变计，其中所述掺杂聚合流体由非导电流体 和导电粉末组成。
4. 如权利要求1所述的应变计，其中所述非导电流体由式[R2SiO]n表示，其中11=甲基、乙基或苯基，n为l 100的整数。
5. 如权利要求3所述的应变计，其中所述导电粉末选自碳黑粉末或金属粉末。
6. 如权利要求3所述的应变计，其中所述非导电流体和导电粉末以 0.5:1 1:3的重量比混合。
7. 如权利要求1所述的应变计，其中所述通路的体积为约1 pL或以上。
8. 使用掺杂聚合流体的压阻式应变计的制造方法，其包括以下步骤-制造聚合物通路以形成槽； -气封所述槽；-在所述聚合物通路中插入通气孔； -注入掺杂聚合流体； -在通气孔和注射孔插入电极；以及 -密封所述孔。
9. 如权利要求8所述的方法，其中使用负性光刻胶涂料制造聚合物通路。
10. 使用掺杂聚合流体的压阻式应变计的制造方法，其包括以下步骤-用聚二甲基硅氧垸涂覆弹性体衬底； -将电极连接到所述聚二甲基硅氧烷的末端； -在所述衬底上沉积应变计材料；-用另一聚二甲基硅氧烷覆盖所述应变计材料；以及 -固化所述另一聚二甲基硅氧烷。
11. 如权利要求10所述的方法，其中通过冲压加工对所述应变计材料 进行沉积。
12. 如权利要求IO所述的方法，其中所述应变计材料为掺杂的导电性聚合流体。
全文摘要
本发明涉及使用掺杂聚合流体的压阻式应变计及其制造方法，其中该应变计含有掺杂的聚合流体，适于测量超过10％的伸长率。
文档编号G01B7/16GK101339001SQ20081013764
公开日2009年1月7日 申请日期2008年7月2日 优先权日2007年7月2日
发明者张燕妮, 郑庆祥, 晨 钞 申请人:香港理工大学