一种多功能柔性应力传感器的制作方法

本发明涉及应力传感器技术领域，特别涉及一种多功能柔性应力传感器。

背景技术：

随着人工智能的快速发展，柔性电子在信息、能源和医疗等领域具有越来越广阔的应用前景。柔性应力传感器是将传感器的形变转换为电阻值的变化，用以获得其受到的应力大小。但现有的柔性应力传感器往往功能单一，比如，仅能测试已知方向的应力大小。对一些复杂应力，如人体的曲臂、行走等肌肉运动和关节运动的识别，往往是根据这一特定运动所引起的电阻值的系列变化趋势来记录该运动模式，难以获取实现这一运动过程中的各个应力的具体大小和方向。因此，急需一种具有对多轴应力同时检测的多功能性、集成化的应力传感器，以实现对复杂应力的检测。

技术实现要素：

针对现有柔性应力传感器存在的功能单一、无法定量分析复杂应力的问题，本发明提出了一种多功能柔性应力传感器，该传感器可检测多轴复杂应力，具有检测多种应力模式的功能，电信号和应力的转换输出方式简单，还具有耐水和各种化学试剂、质量轻和体积小等优点；另外，该多功能柔性应力传感器制备工艺简单，具有很好的应用前景。

一种多功能柔性应力传感器，包括：

脆性聚合物各向异性导电复合薄膜，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜包括上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜和下层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜，两者平行正交叠放，间距1000μm；

导电胶，所述导电胶包括第一导电胶，第二导电胶，第三导电胶和第四导电胶；其中，第一导电胶和第二导电胶附着于上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜的上表面，其连线与上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜的电导率最小的方向平行；第三导电胶和第四导电胶附着于下层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜(12)的下表面，其连线与下层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜的电导率最小的方向平行；

弹性聚合物，所述弹性聚合物对附着了导电胶的脆性聚合物各向异性导电复合薄膜进行包埋，且导电胶不与脆性聚合物各向异性导电复合薄膜接触的一端露出弹性聚合物；

所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜与弹性聚合物之间密切接触，无间隙。

进一步的，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜的电学各向异性程度在1～7之间，主方向上电导率在100～4000s/cm之间。

进一步的，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜的电学各向异性程度的不同，应力与测量的电信号之间的拟合结果不同。

进一步的，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜的形状不局限于矩形，弹性聚合物(3)的面积大于所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜的面积，且弹性聚合物能完全覆盖所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜，弹性聚合物的形状也不局限于矩形。

进一步的，所述弹性聚合物的整体厚度在500～2000μm之间。

进一步的，所述上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜与弹性聚合物的上表面的距离在50～1500μm之间。

进一步的，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜的厚度在5～30μm之间。

进一步的，所述多功能柔性应力传感器检测的应力的作用形式不局限于垂直于其表面的压力，还可以是面外曲挠力。

进一步的，所述弹性聚合物的材料为聚二甲基硅氧烷，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜的材料为聚苯胺/银纳米线。

作为一种导电高分子，聚苯胺薄膜经质子酸掺杂或加入一定含量的导电填料如碳纳米管、石墨烯、金属纳米材料等，其电导率可在10^-6～10⁴s/cm之间。这是因为根据阈值理论，当相邻的导电填料之间距离足够小(大于电子隧穿距离)时，可以搭接形成导电通路，从而提升聚苯胺薄膜的电学性能。特别地，当导电填料为具有各向异性的一维或二维导电填料时，其在应力或场诱导条件下的有序排列可赋予聚苯胺薄膜以电学的各向异性。在这里，定义薄膜在不同方向上电导率的比值为其电学的各向异性程度。在导电填料有序排列的情况下，当聚苯胺基体受到应力发生形变时，在填料取向方向(称为主方向)上，由于导电通路较多，因而一些填料的移位对该方向上导电通路的连接状态影响较小，故电阻变化较小；而在垂直于填料取向方向(称为次方向)上，由于导电通路较少，因而填料之间的连接状态受到填料移位的影响较大，甚至会造成该方向上导电通路的全部断开，从而导致电阻急剧增大。另一方面，由于聚二甲基硅氧烷和聚苯胺的应变差异极大，前者可接近600％，而后者仅为2％左右，二者应变的巨大差异会促使聚苯胺复合薄膜在受到由聚二甲基硅氧烷传递来的应力时，沿着应力集中的方向，即填料取向方向(主方向)发生裂纹，这种基体的断裂将进一步放大主方向和次方向上电信号的改变。本发明通过采用将两个各向异性导电的聚苯胺复合薄膜，进行正交叠加作为去耦合的柔性导电层，来替代传统的电导率相同的导电层。泊松比是材料在比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与纵向应变之比的绝对值。由于泊松比，使得传统的电导率均一的导电层在受到未知方向的应力作用时，其电信号的变化与形变不具有简单关联性，因而只能用于测试已知方向的应力大小，难以分析多轴复杂应力。

本发明采用正交组合的两个各向异性导电的复合薄膜作为导电层，由于复合薄膜主方向上电导率显著高于次方向上的电导率，其经正交组合后，可以大大降低整体的泊松比，因而可近似视为零泊松比材料，故可作为一个正交的矢量坐标系来分解多轴复杂应力。在传感器受到复杂应力而发生形变时，可以先将应变分解到两个正交复合薄膜的主方向上(记为x方向和y方向)，根据x方向和y方向上电信号的变化，再反向合成复杂应力的大小和方向，因而可作为一种检测多种应力模式的柔性传感器。

本发明提出的一种多功能柔性应力传感器，该传感器可以检测多轴复杂应力，包括压力和曲挠力等多种应力模式并获得矢量，且具有耐水和各种化学试剂、质量轻、体积小、结构及制备方法简单的优点，因而在智慧医疗，比如对人体活动的实时监测、可穿戴设备、电子皮肤等方面具有重要应用价值。

本发明提供了一种多功能柔性应力传感器，具有检测多种应力模式的功能。与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)该多功能柔性应力传感器通过采用正交组合的电学各向异性复合薄膜作为去耦合的矢量坐标系，可将复杂应力产生的形变分解到两个正交方向，通过两个正交方向上电信号的变化，可反向合成应力的方向和大小，因而具有检测多轴复杂应力的功能，从而极大扩宽了传统应力传感器的使用范围。

(2)该多功能柔性应力传感器的主要材料为聚苯胺和聚二甲基硅氧烷，具有材料易得且成本低、厚度薄、质量轻的优点，同时其结构和制备工艺简单，可批量生产。

(3)本发明中传感器的电阻值的变化与应力的大小/角度符合线性关系，且回归系数高，显著简化了应变与电信号之间的转换输出，实用性和可操作性强。

附图说明

图1为实施例1中传感器的上表面示意图；

图2为实施例1中传感器的下表面示意图；

图3为实施例1中传感器的内部结构剖切示意图；

图4为本发明中实施例1对应的压力(p)对lg(δr1-δr2)的线性拟合图；

图5为本发明中实施例2对应的弯曲角度(θ)对lg(δr1/δr2)的线性拟合图；

图6为本发明中实施例3对应的压力(p)对lg(δr1-δr2)的线性拟合图；

图7为本发明中实施例4对应的压力(p)对lg(δr1-δr2)的线性拟合图；

图8为本发明中实施例5对应的弯曲角度(θ)对lg(δr1/δr2)的线性拟合图；

附图标记说明：

1-脆性聚合物各向异性导电复合薄膜，11-上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜，12-下层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜，2-导电胶，21-第一导电胶，22-第二导电胶，23-第三导电胶，24-第四导电胶，3-弹性聚合物。

具体实施方式

一种多功能柔性应力传感器，包括：

脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1包括上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜11和下层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜12，两者平行正交叠放，间距1000μm；

导电胶2，所导电胶2包括第一导电胶21，第二导电胶22，第三导电胶23和第四导电胶24；其中第一导电胶21和第二导电胶22附着于上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜11的上表面，其连线与上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜11的电导率最小的方向平行；第三导电胶23和第四导电胶24附着于下层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜12的下表面，其连线与下层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜12的电导率最小的方向平行；

弹性聚合物3，所述弹性聚合物3对附着了导电胶2的脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1进行包埋，且导电胶2不与脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1接触的一端露出弹性聚合物3；

所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1与弹性聚合物3之间密切接触，无间隙。

进一步的，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1的电学各向异性程度在1～7之间，主方向上电导率在100～4000s/cm之间。

进一步的，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1的电学各向异性程度的不同，应力与测量的电信号之间的拟合结果不同。

进一步的，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1的形状不局限于矩形，弹性聚合物3的面积大于所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1的面积，且弹性聚合物3能完全覆盖所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1，弹性聚合物3的形状也不局限于矩形。

进一步的，所述弹性聚合物3的整体厚度在500～2000μm之间。

进一步的，所述上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜11与弹性聚合物3的上表面的距离在50～1500μm之间。

进一步的，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1的厚度在5～30μm之间。

进一步的，所述多功能柔性应力传感器检测的应力的作用形式不局限于垂直于其表面的压力，还可以是面外曲挠力。

进一步的，所述弹性聚合物3的材料为聚二甲基硅氧烷，所述脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1的材料为聚苯胺/银纳米线。

下面通过实施例对本发明的制备方法进一步说明，但本发明并不限于这些实施例。下述实例的实验方法中，如无特殊说明均为常规方法；实例中所用的材料，如无特殊说明，均购自常规化学试剂公司。

实施例1

弹性聚合物3和脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1分别为30×30mm和20×20mm的正方形，且前者对后者完全覆盖，其厚度分别为2000μm和18μm。脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1的电学各向异性程度为6.7，主方向上电导率为187s/cm。上层脆性聚合物导电复合薄膜11距弹性聚合物3的上表面距离为1000μm。第一导电胶21和第二导电胶22之间的电阻记为r1，第三导电胶23和第四导电胶24之间的电阻记为r2。传感器受到的压力(p)与r1和r2的相对变化值(δri，i＝1，2)之差的对数成线性关系，如图4所示，回归方程为p＝5.63lg(δr1-δr2)-8.40，线性回归系数为0.97。

实施例2

弹性聚合物3和脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1分别为直径为15mm和10mm的圆形，且前者对后者完全覆盖，其厚度分别为1000μm和5μm。脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1的电学各向异性值为5，主方向上电导率为1000s/cm。上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜11距弹性聚合物3的上表面距离为800μm。第一导电胶21和第二导电胶22之间的电阻记为r1，第三导电胶23和第四导电胶24之间的电阻记为r2。对传感器进行弯曲，其弯曲的角度(θ)与r1和r2的相对变化值之比的对数成线性关系，如图5所示，回归方程为θ＝-16.4lg(δr1/δr2)+161.12，线性回归系数为0.96。

实施例3

弹性聚合物3和脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1分别为不规则形状和边长为10mm的正三角形，且前者对后者完全覆盖，其厚度分别为1500μm和10μm。脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1的电学各向异性值为3，主方向上电导率为2000s/cm。上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜11距弹性聚合物(3)的上表面距离为500μm。第一导电胶21和第二导电胶22之间的电阻记为r1，第三导电胶23和第四导电胶24之间的电阻记为r2。传感器所受压力(p)与r1和r2的相对变化值之差的对数成线性关系，如图6所示，回归方程为p＝-17.65lg(δr1-δr2)-8.13，线性回归系数为0.95，如图3所示。

实施例4

弹性聚合物3和脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1面积分别为500mm²和300mm²的不规则形状，且前者对后者完全覆盖，其厚度分别为500μm和25μm。脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1电学各向异性值为4，主方向上电导率为3000s/cm。上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜11距弹性聚合物3的上表面距离为100μm。第一导电胶21和第二导电胶22之间的电阻记为r1，第三导电胶23和第四导电胶24之间的电阻记为r2。传感器受到的压力(p)与r1和r2的相对变化值之差的对数成线性关系，如图7所示，回归方程为p＝1.25lg(δr1-δr2)+2.09，线性回归系数为0.96。

实施例5

弹性聚合物3为圆形，脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1分别为40×20mm和20×10mm的矩形，且前者对后者完全覆盖，其厚度分别为1800μm和30μm。脆性聚合物各向异性导电复合薄膜1的电学各向异性值为2，主方向上的电导率为4000s/cm。上层脆性聚合物各向异性导电复合薄膜11距弹性聚合物3的上表面距离为1500μm。第一导电胶21和第二导电胶22之间的电阻记为r1，第三导电胶23和第四导电胶24之间的电阻记为r2。对传感器进行弯曲，其弯曲的角度(θ)与r1和r2的相对变化值之比成线性关系，如图8所示，回归方程为θ＝43.18lg(δr1/δr2)+8.9395，线性回归系数为0.95。

尽管参考附图中出示的具体实施方式将对本申请进行描述，但是应当理解，在不背离本申请教导的精神和范围的背景下，本申请的应力传感器可以由许多变化形式。本申请的各个实施例中的部件或结构在可能的情况下能够进行各种组合，这都在本申请的保护范围之内。本领域普通技术人员还将意识到有不同的方式来改变被申请所公开的实施例中的参数，均落入本申请的权利要求的精神和范围内。