一种可拉伸应变传感器及其制备方法与流程

本发明涉及医疗器械，特别地，涉及一种可拉伸应变传感器及其制备方法。

背景技术：

1、人体各器官的变形测量对于运动监测、疾病诊疗具有重大的意义。然而，人体不同器官的变形程度差异大，例如，心脏、膀胱等器官的变形非常大，其能达到的应变可超过100％，对于皮肤、肌肉等组织器官，其最大变形可达50％，而对于骨骼，牙齿等器官，其变形通常不超过0.1％。对于应变传感器而言，测量范围和测量灵敏度往往是一对矛盾，往往测量灵敏度高的传感器，其测量范围比较窄，而对于测量范围大的传感器而言，其测量灵敏度却很小。

2、目前，可拉伸的应变传感器通常是通过在弹性的基底上图案化可拉伸的应变敏感材料实现的，应变敏感材料在变形过程中其电阻、电容、电感等电学参数会随之发生改变，通过测量电学参数便可计算出加载在传感器上的变形大小。例如，通过在柔软有弹性的基底上通过喷墨打印、丝网印刷、激光刻蚀等方法印刷上应变敏感材料，也可以通过在柔软有弹性的管道内注入应变敏感材料，从而实现可拉伸应变传感器的制备，现有的应变敏感材料通常包括液态金属、水凝胶、离子液体、碳纳米材料，金属纳米线等导电材料。

3、然而，现有技术中存在的主要问题是：这些传感器只能适用于单个应变范围的精确测量，例如，对于液态金属为敏感材料的可拉伸应变传感器，其应变测量范围往往比较大，约0-100％，适合于心脏、膀胱等器官的变形测量，但是该类传感器变形的分辨率低，难以精确测量小变形。而对于碳纳米材料为敏感材料的可拉伸应变传感器，其变形测量的灵敏度极高，十分适合于小于1％的小变形测量，但是这些传感器遇到较大的变形时，通常会由于变形过大而直接导致传感器的损坏。

4、解决以上问题及缺陷的难度为：目前对于某一类应变传感器，其应变敏感材料直接决定了其测量灵敏以及测量范围，即使在制备过程中对敏感材料进行修饰，其测量灵敏以及测量范围也不会有大的变化。解决以上问题的意义为：通过在应变传感器中制备敏感缝隙结构，通过调整结构中应变集中的程度来调节传感器的灵敏度和测量范围，以满足全范围、全精度的应变测量。

技术实现思路

1、本发明提供了一种可拉伸应变传感器，其灵敏度和测量范围可以在制备过程中灵活调整，传感器结构和制备简单，加工方便，适合于卷对卷生产，以及在可穿戴设备、植入器件、机器人、虚拟现实领域具有巨大的应用潜力。

2、本发明的技术方案如下：

3、根据本发明的一个方面，提供了一种可拉伸应变传感器，包括第一弹性层、敏感材料层、第二弹性层、非弹性层和敏感缝隙，其中，第一弹性层、第二弹性层和非弹性层从下向上依次叠合设置，敏感材料层封装在第二弹性层中，敏感缝隙位于非弹性层中，以及敏感材料层包括应变敏感部分，应变敏感部分在垂直于可拉伸应变传感器各层厚度方向上位于敏感缝隙相对应的区域范围内。

4、可选地，在上述可拉伸应变传感器中，第一弹性层选自热塑性聚氨酯材料、乙烯-醋酸乙烯共聚物材料、硅橡胶类弹性材料、聚苯乙烯类弹性材料、聚烯烃类弹性材料、乙烯–丙烯酸类共聚物材料和乳胶类弹性材料中的一种或多种；

5、可选地，在上述可拉伸应变传感器中，第二弹性层选自热塑性聚氨酯材料、乙烯-醋酸乙烯共聚物材料、硅橡胶类弹性材料、聚苯乙烯类弹性材料、聚烯烃类弹性材料、乙烯–丙烯酸类共聚物材料和乳胶类弹性材料中的一种或多种。

6、可选地，在上述可拉伸应变传感器中，敏感材料层选自液态金属、水凝胶、石墨烯、碳纳米管、银纳米线、金纳米线材料、微纳结构中的一种或多种。

7、可选地，在上述可拉伸应变传感器中，第二弹性层包括开孔/开窗，用于暴露敏感材料层的外界连接位点。

8、可选地，在上述可拉伸应变传感器中，非弹性层选自光敏树脂、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚烯烃、聚酰胺中的一种或多种。

9、可选地，在上述可拉伸应变传感器中，敏感缝隙的宽度为0.001～50毫米。

10、可选地，在上述可拉伸应变传感器中，第一弹性层的厚度为10-500微米，以及第二弹性层的厚度为10-500微米。

11、根据本发明的另一个方面，提供了上述可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：s1.采用喷墨打印、丝网印刷、漏字板、3d打印或软刻蚀技术将敏感材料层材料印刷在第一弹性层上；s2.将未固化的第二弹性层材料涂在第一弹性层上以封装敏感材料层，并固化第二弹性层；以及s3.将非弹性层制备在在第二弹性层上，并通过蚀刻、腐蚀或切割工艺得到敏感缝隙。

12、根据本发明的又一个方面，提供了上述可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：s1.采用喷墨打印技术、丝网印刷、漏字板、3d打印或软刻蚀技术将敏感材料层材料印刷在第一弹性层上并干燥；s2.在第二弹性层上打孔以暴露敏感材料层的电学连接位点，以及将第二弹性层热压在第一弹性层上以封装敏感材料层；以及s3.在非弹性层上打孔以暴露敏感材料层的电学连接位点，以及在非弹性层上刻蚀、腐蚀或切割出敏感缝隙，将切割后的非弹性层通过热压、冷压、胶粘或离子键合方式结合到第二弹性层上使得敏感材料层的应变敏感部分位于敏感缝隙内。

13、根据本发明的技术方案，产生的有益效果是：

14、本发明在可拉伸应变传感器上设计敏感缝隙，并将应变敏感材料制备在敏感缝隙中，通过调节敏感缝隙的宽度来调节变形在应变敏感材料的集中程度，从而达到调节可拉伸应变传感器的测量范围和测量灵敏度的目的，其灵敏度和测量范围取决于敏感缝隙的宽度以及传感器的长度、灵敏度和测量范围可以在制备过程中灵活调整；且可拉伸应变传感器结构和制备简单、加工方便，适合于卷对卷生产；在可穿戴设备、植入器件、机器人、虚拟现实领域具有巨大的应用潜力。

15、为了更好地理解和说明本发明的构思、工作原理和发明效果，下面结合附图，通过具体实施例，对本发明进行详细说明如下：

技术特征：

1.一种可拉伸应变传感器，其特征在于，包括第一弹性层、敏感材料层、第二弹性层、非弹性层和敏感缝隙，其中，所述第一弹性层、所述第二弹性层和所述非弹性层从下向上依次叠合设置，所述敏感材料层封装在所述第二弹性层中，所述敏感缝隙位于所述非弹性层中，以及所述敏感材料层包括应变敏感部分，所述应变敏感部分在垂直于所述可拉伸应变传感器各层厚度方向上位于所述敏感缝隙相对应的区域范围内。

2.根据权利要求1所述的可拉伸应变传感器，其特征在于，所述第一弹性层选自热塑性聚氨酯材料、乙烯-醋酸乙烯共聚物材料、硅橡胶类弹性材料、聚苯乙烯类弹性材料、聚烯烃类弹性材料、乙烯–丙烯酸类共聚物材料和乳胶类弹性材料中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的可拉伸应变传感器，其特征在于，所述第二弹性层选自热塑性聚氨酯材料、乙烯-醋酸乙烯共聚物材料、硅橡胶类弹性材料、聚苯乙烯类弹性材料、聚烯烃类弹性材料、乙烯–丙烯酸类共聚物材料和乳胶类弹性材料中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的可拉伸应变传感器，其特征在于，所述敏感材料层选自液态金属、水凝胶、石墨烯、碳纳米管、银纳米线、金纳米线材料、微纳结构中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的可拉伸应变传感器，其特征在于，所述第二弹性层包括孔或开窗，用于暴露所述敏感材料层的外界连接位点。

6.根据权利要求1所述的可拉伸应变传感器，其特征在于，所述非弹性层选自光敏树脂、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚烯烃、聚酰胺中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的可拉伸应变传感器，其特征在于，所述敏感缝隙的宽度为0.001～50毫米。

8.根据权利要求1所述的可拉伸应变传感器，其特征在于，所述第一弹性层的厚度为10-500微米，以及所述第二弹性层的厚度为10-500微米。

9.根据权利要求1-7任一项所述的可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求1-7任一项所述的可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种可拉伸应变传感器，包括第一弹性层、敏感材料层、第二弹性层、非弹性层和敏感缝隙，其中，第一弹性层、第二弹性层和非弹性层从下向上依次叠合设置，敏感材料层封装在第二弹性层中，敏感缝隙位于非弹性层中，以及敏感材料层包括应变敏感部分，应变敏感部分在垂直于可拉伸应变传感器各层厚度方向上位于敏感缝隙相对应的区域范围内。本发明传感器的灵敏度和测量范围可以在制备过程中灵活调整，传感器结构和制备简单，加工方便，适合于卷对卷生产，以及在可穿戴设备、植入器件、机器人、虚拟现实领域具有巨大的应用潜力。

技术研发人员：李虹
受保护的技术使用者：北京柔致科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16