一种应变可视化的电容式弹性应变传感器的制作方法

1.本发明涉及一种电容式弹性应变传感器，特别涉及一种应变可视化的电容式弹性应变传感器。


背景技术：

2.随着科技的进步，电子器件的发展也得到了很大的进步，尤其是弹性器件的出现，使得电子器件的发展趋势更加贴合人类对人性化、智能化穿戴产品的需求。在可穿戴电子产品中，人们更加关心其舒适度、轻薄感、无异物感等特点。
3.申请号为cn202010122016.5的专利文献公开了一种效果可视化的仿生超敏应变传感器及其制备方法，利用裂缝结构层的裂缝侧壁在变形过程中重复张开-闭合，实现灵敏感知外界微小应变。当仿生超敏应变传感器发生形变后，通过焦耳热改变温度，使得热致变色层颜色发生改变，实现应变效果可视化。但是这种热致变色层需要在明显的光照和温度变化下才能观察到应变变化引起的颜色变化，该应变传感器是利用焦耳热变化导致热致变色涂层颜色发生变化，从而实现可视化。随着时间增长，热量散失后，该应变传感器存在应变情况下仍无法维持变色状态，导致应变与视觉变色不匹配。
4.另外，现有技术中其它的应变传感器基本不具有应变效果可视化变色的功能，无法通过颜色变化直观显示弹性应变传感器的使用情况。


技术实现要素：

5.针对上述技术现状，本发明提供一种电容式弹性应变传感器，其结构简单，当发生应变时传感器表层的颜色发生变化，能够直观反应传感器的应变信息。
6.本发明采用的技术方案为：一种应变可视化的电容式弹性应变传感器，包括自下而上依次层叠排列的弹性基体、第一弹性导电层、弹性介电层与第二弹性导电层，第一弹性导电层与第一电极相连，第二弹性导电层与第二电极相连；其特征是：所述第二弹性导电层表面设置弹性变色层；
7.所述弹性变色层具有导电绝缘性；
8.所述弹性变色层由弹性高分子材料构成，其表面具有若干微型凹陷结构，所述凹陷结构的深度为100～1000nm，宽度为100～1000nm；
9.或者，所述弹性变色由弹性高分子材料与纳米颗粒构成，所述纳米颗粒分散在弹性高分子材料中。
10.作为优选，所述凹陷结构的深度为200～800nm，更优选为400～600nm。
11.作为优选，所述凹陷结构的宽度为200～800nm，更优选为400～600nm。
12.作为优选，各凹陷结构之间的间距为0.01um～10um，更优选为0.1um～1um。
13.所述弹性高分子材料不限，包括热塑性弹性体(tpe)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶聚(tpu)、二甲基硅氧烷(pdms)、脂肪族芳香族无规共聚酯(ecoflex)、高分子聚合树脂、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体(poe)中的一种或者几种。
14.所述纳米颗粒不限，包括fe3o4、欧珀中的一种或者几种。
15.所述纳米颗粒的粒径优选为10nm-1000nm，更优选为150nm-350nm。
16.所述弹性是指在一定的外力作用下可发生拉伸、压缩、弯曲、旋转等形变，当外力撤除后具有一定形变恢复的性能。
17.作为一种实现方式，所述弹性基底为弹性纺织材料。纺织材料可以是由棉、麻、毛、丝绸、呢绒、纤维等材料中的一种或者几种形成的织物。弹性可以是通过一定的结构设计使其具有弹性，如罗纹组织结构，亦或者将具有一定弹性的纺织物纺织而成。
18.作为一种实现方式，所述第一弹性导电层由导电浆料构成。导电浆料不限，包括含0％-50％氧含量的液态金属浆料、100：1～100的液态金属和弹性体混合浆料、石墨烯浆料、石墨导电胶、银胶、比例1～100：100的碳粉或碳纤维或石墨烯和弹性体混合浆料、比例1～100：100的金属粉末和弹性体混合浆、导电墨水、弹性导电布等。
19.作为一种实现方式，所述第二弹性导电层由导电浆料构成。导电浆料不限，包括含0％-50％氧含量的液态金属浆料、100：1～100的液态金属和弹性体混合浆料、石墨烯浆料、石墨导电胶、银胶、比例1～100：100的碳粉或碳纤维或石墨烯和弹性体混合浆料、比例1～100：100的金属粉末和弹性体混合浆、导电墨水、弹性导电布等。
20.所述液态金属是指在室温下为液态的金属导电材料，包括但不限于汞、镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡金属、固态非金属元素的一种或多种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金等。
21.所述弹性介电层具有导电绝缘性，其材料不限，包括弹性高分子材料等。作为进一步优选，所述弹性结合层采用与纺织材料具有良好的粘结能力的弹性材料，例如热塑性弹性体(tpe)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶聚(tpu)、二甲基硅氧烷(pdms)、脂肪族芳香族无规共聚酯(ecoflex)、高分子聚合树脂、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体(poe)中的一种或者几种。
22.作为一种实现方式，所述弹性基底与第一弹性导电层之间设置弹性结合层，所述弹性结合层具有导电绝缘性。所述弹性结合层材料不限，包括弹性高分子材料等。作为进一步优选，所述弹性结合层采用与纺织材料具有良好的粘结能力的弹性材料，例如热塑性弹性体(tpe)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶聚(tpu)、二甲基硅氧烷(pdms)、脂肪族芳香族无规共聚酯(ecoflex)、高分子聚合树脂、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体(poe)中的一种或者几种。
23.本发明还提供一种制备该应变可视化的电容式弹性应变传感器的方法，包括如下步骤：在第二弹性导电层表面制备弹性高分子层，然后利用等离子体轰击弹性高分子层表面，使其表面形成所述凹陷结构。所述等离子体由大量的电子、离子和中性粒子组成，当用等离子体轰击弹性高分子层表面时弹性高分子材料表面产生结构、成分和性能的变化，形成纳米级的微型凹陷结构。在第二弹性导电层表面制备弹性高分子层的方法不限，包括印刷、烘烤、热压等方法。
24.或者，将弹性高分子与纳米颗粒均匀混合形成混合物，将所述混合物在第二弹性导电层表面形成层状结构，然后固化。所述混合物在第二弹性导电层表面形成层状结构的方法不限，包括涂敷、印刷、流延、浸渍等。
25.作为优选，还包括如下步骤：
26.(1)在弹性基底表面制备第一弹性导电层；
27.(2)在第一弹性导电层表面制备弹性介电层；
28.(3)在弹性介电层表面制备第二弹性导电层；
29.在第二弹性导电层表面制备弹性高分子层的方法不限，包括印刷、烘烤、热压等方法。
30.所述等离子体种类不限，可以由不同的气体组成，可以是将气体在高频电压下进行处理得到等离子体。作为优选，所述等离子体根据基底材料进行选择。当采用高分子基底时，可以优选氧等离子体。
31.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
32.(1)本发明在电容式弹性应变传感器表面设置具有导电绝缘性的弹性变色层。
33.该弹性变色层由弹性高分子材料构成，其表面具有若干纳米尺寸的凹陷结构，在光线的照射下，所述凹陷结构对光线的反射产生影响，当该传感器在外力作用下发生形变时，所述凹陷结构的形状、间距、宽度、深度等发生变化，使光线反射随之发生变化，导致视觉上的颜色随之变化，实现应力形变通过颜色可视化。
34.或者，该弹性变色层由弹性高分子材料与纳米颗粒构成，在光线的照射下，所述纳米颗粒对光线的反射与折射产生影响，当该传感器在外力作用下发生形变时，所述纳米颗粒之间的距离发生变化，使光线反射与折射随之发生变化，导致视觉上的颜色随之变化，实现应力形变通过颜色可视化。
35.因此，本发明实现了传感器在应力作用下发生形变时传感器颜色也发生变化，即，可以直观地显示传感器的形变效果，不仅增加了使用趣味性，而且由于颜色变化可直接通过视觉传达，提高了传感器的灵敏感。
36.(2)本发明的传感器具有良好的可穿戴性与舒适性，通过颜色变化可直观显示使用状态，可应用于强身健体、休闲娱乐、健康监测等领域，具有良好的应用前景。
附图说明
37.图1是本发明应变可视化的电容式弹性应变传感器的第一种结构示意图。
38.图2是本发明应变可视化的电容式弹性应变传感器的第二种结构示意图。
39.图3是本发明应变可视化的电容式弹性应变传感器的第三种结构示意图。
40.图1-3中的附图标记为：弹性基底1，弹性粘合层2，第一弹性导电层3，弹性介电层4，第二弹性导电层5，弹性高分子材料6，第一电极7，第二电极8，微型凹陷结构9、纳米颗粒10、弹性高分子材料11。
41.具体实施例方式
42.下面结合附图与实例，对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，对本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
43.实施例1：
44.如图1所示，应变可视化的电容式弹性应变传感器时由自下而上依次层叠排列的弹性基体1、第一弹性导电层3、弹性介电层4与第二弹性导电层5，第一弹性导电层3与第一电极7相连，第二弹性导电层5与第二电极8相连，第二弹性导电层表面设置弹性变色层。弹性变色层具有导电绝缘性，由弹性高分子材料6构成，其表面具有若干凹陷结构9，各凹陷结
构的深度为100～1000nm，宽度为100～1000nm。
45.本实施例中，弹性基底与第一弹性导电层之间设置弹性结合层2，弹性结合层2具有导电绝缘性。
46.本实施例中，弹性基底选氨纶布；弹性结层、弹性介电层都选择热塑性聚氨酯弹性体橡胶聚(tpu)；第一弹性导电层3与第二弹性导电层5为液态金属gainsn；外部第一电极与外部第二电极为铜片；弹性变色层中的弹性高分子材料选择热塑性聚氨酯弹性体橡胶聚(tpu)。
47.本实施例中，上述应变可视化的电容式弹性应变传感器的制备包括如下步骤：
48.(1)在弹性基底1上采用热压工艺成型弹性结合层2；
49.(2)在弹性结合层2表面放置镂空模板；然后，通过印刷将液态金属gainsn填充在模板中；接着，去除模板材料，得到第一弹性导电层3；
50.(3)在步骤(2)制得的第一弹性导电层3的两端贴合细铜片作为外部第一电极；
51.(4)在第一弹性导电层3表面采用热压工艺成型弹性介电层4；
52.(5)在弹性介电层4表面放置镂空模板；然后，通过印刷将液态金属gainsn填充在模板中；接着，去除模板材料，得到第二弹性导电层5；
53.(6)在第二弹性导电层5的两端贴合细铜片作为外部第二电极；
54.(7)在第二弹性导电层5表面采用热压工艺成型弹性高分子6，然后利用氧等离子体轰击弹性高分子层表面，使其表面形成微型凹陷结构。
55.在光线的照射下，所述凹陷结构对光线的反射产生影响，当该传感器在外力作用下发生形变时，所述凹陷结构的形状、间距、宽度、深度等发生变化，使光线反射随之发生变化，导致视觉上的颜色随之变化，实现应力形变通过颜色可视化。
56.该应变可视化的电容式弹性应变传感器在光线照射下，微型凹陷结构会对光线的反射产生影响，进而改变视觉上的颜色变化。当该传感器在外力作用下发生形变时，微型凹陷结构的形状、间距、宽度、深度等发生变化，使光线反射随之发生变化，导致视觉上的颜色随之变化，实现应力形变通过颜色可视化。例如，当该传感器受到拉伸作用，弹性变色层被拉伸变长，表面微型凹陷结构9的密集度减小，对光线的反射产生变化，实现了传感器的表面颜色变化的视觉效果。当拉伸作用消失后，弹性变色层恢复到初始状态，表面的微型凹陷结构9恢复到起始时的密集度，传感器的表面颜色也随之恢复为初始状态时的颜色，从而实现了拉伸效果可视化。
57.实施例2：
58.本实施例中，应变可视化的电容式弹性应变传感器的结构与实施例1结构基本相同，所不同的是如图2所示，弹性变色层由弹性高分子材料与粒径为150nm～350nm的欧珀纳米颗粒10构成，欧珀纳米颗粒均匀分散在弹性高分子材料中。
59.本实施例中，上述应变可视化的电容式弹性应变传感器的制备与实施例1基本相同，所不同过的是步骤(7)如下：
60.(7)将熔融状的弹性高分子与所示纳米颗粒均匀混合形成混合物，将该混合物流延在第二弹性导电层表面形成层状结构，然后固化。
61.在光线的照射下，所述纳米颗粒对光线的反射与折射产生影响，当该传感器在外力作用下发生形变时，所述纳米颗粒之间的距离发生变化，使光线反射与折射随之发生变
化，导致视觉上的颜色随之变化，实现应力形变通过颜色可视化。例如，当该传感器受到拉伸作用，弹性变色层被拉伸变长，纳米颗粒之间的距离产生变化，对光线的反射与折射产生变化，而折射和反射出不同波长的光线会呈现不同的颜色变化，因此实现了传感器的表面颜色变化的视觉效果。当拉伸作用消失后，弹性变色层恢复到初始状态，纳米颗粒之间的距离恢复到起始时的密集度，传感器的表面颜色也随之恢复为初始状态时的颜色，从而实现了拉伸效果可视化。
62.实施例3：
63.本实施例中，应变可视化的电容式弹性应变传感器的结构与实施例1结构基本相同，所不同的是如图3所示，弹性变色层由两层，即第一弹性变色层与第二弹性变色层组成。第一弹性变色层位于第二弹性导电层表面，由弹性高分子材料6与粒径为150nm～350nm的欧珀纳米颗粒10构成，欧珀纳米颗粒均匀分散在弹性高分子材料6中，第二弹性变色层位于第一弹性变色层表面，由弹性高分子材料11构成，其表面具有若干凹陷结构9，各凹陷结构的深度为100～1000nm，宽度为100～1000nm。
64.本实施例中，弹性高分子材料11与由弹性高分子材料6选择的材料相同，均为热塑性聚氨酯弹性体橡胶聚(tpu)。
65.本实施例中，上述应变可视化的电容式弹性应变传感器的制备与实施例1基本相同，所不同过的是步骤(7)如下：
66.(7)将熔融状的弹性高分子材料6与纳米颗粒10均匀混合形成混合物，将该混合物流延在第二弹性导电层表面形成层状结构，然后固化形成第一弹性变色层；然后，采用热压工艺在第一弹性变色层表面成型弹性高分子材料11的薄膜层，再利用等离子体轰击弹性高分子材料11表面，使其表面形成所述凹陷结构。
67.在光线的照射下，所述纳米颗粒对光线的反射与折射产生影响，微型凹陷结构也对光线的反射产生影响，当该传感器在外力作用下发生形变时，所述纳米颗粒之间的距离发生变化，使光线反射与折射随之发生变化，导致视觉上的颜色随之变化，并且，微型凹陷结构的形状、间距、宽度、深度等也发生变化，使光线反射随之发生变化，也导致视觉上的颜色随之变化，因此实现了应力形变通过颜色可视化。例如，当该传感器受到拉伸作用，弹性变色层被拉伸变长，纳米颗粒之间的距离产生变化，对光线的反射与折射产生变化，并且表面微型凹陷结构的密集度也减小，对光线的反射也产生变化，而折射和反射出不同波长的光线会呈现不同的颜色变化，因此实现了传感器的表面颜色变化的视觉效果。当拉伸作用消失后，弹性变色层恢复到初始状态，纳米颗粒之间的距离恢复到起始时的密集度，表面的微型凹陷结构9也恢复到起始时的密集度，传感器的表面颜色也随之恢复为初始状态时的颜色，从而实现了拉伸效果可视化。
68.实施例4：
69.本实施例中，应变可视化的电容式弹性应变传感器的结构与实施例2结构基本相同，所不同的是纳米颗粒选择fe3o4。
70.实施例5：
71.本实施例中，应变可视化的电容式弹性应变传感器的结构与实施例1结构基本相同，所不同的是弹性结层、弹性介电层都选择二甲基硅氧烷(pdms)；弹性变色层中的弹性高分子材料选择二甲基硅氧烷(pdms)。
72.实施例6：
73.本实施例中，应变可视化的电容式弹性应变传感器的结构与实施例1结构基本相同，所不同的是第一弹性导电层与第二弹性导电层材料选择导电墨水。
74.实施例7：
75.本实施例中，应变可视化的电容式弹性应变传感器的结构与实施例1结构基本相同，所不同的是第一弹性导电层与第二弹性导电层材料选择石墨烯。
76.实施例8：
77.本实施例中，应变可视化的电容式弹性应变传感器的结构与实施例1结构基本相同，所不同的是第一弹性导电层与第二弹性导电层材料选择石墨导电胶。
78.以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。