[发明专利]一种仿生多级结构柔性应力、应变复合式传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种仿生多级结构柔性应力、应变复合式传感器，其包括：由上而下依次排列并一体成型的用于应变感知的裂缝结构层、用于应力和应变多重感知的导电弹性海绵体、用于应力感知的凸包阵列结构层；其中，裂缝结构层在远离导电弹性海绵体的上表面具有平行裂纹阵列结构；凸包阵列结构层在远离多孔海绵弹性体的下表面具有规则凸包阵列结构；裂缝结构层上表面设有上电极；凸包阵列结构层设有下电极，上电极和下电极引出一条漆包导线。该传感器极大地提高了应变感知灵敏度；同时利用导电三维多孔结构在大应变时仍旧能保持工作状态从而提高了该复合传感器的工作范围。本发明的仿生多级结构应力、应变复合式传感器制备简单，成本低，适合批量化制造。

技术领域

本发明涉及一种仿生多级结构柔性应力、应变复合式传感器及其制备方法，属于柔性传感器技术。

背景技术

与传统单一功能的传感器相比，复合式传感器能集成两个或者两个以上的检测不同物理量的传感单元，同时感受两种或两种以上的被测量，并转换成可以接收和处理的信号的装置。复合式传感器是传感器技术中的一个新的发展方向。在工业生产、航空航天等领域，为了准确全面地认识对象或环境，往往需要同时测量多个物理量、化学量，因此希望尽可能把几个敏感元件制作在一起，使一个传感器能够同时测量几个参数，具有多种功能，但目前一个传感器只能测量一个参数，使用受限。

以应力、应变感知、测量为目的传感器在现代社会中应用范围极为广泛。近年来，传统的应力或应变传感器因其自身材料的性质，灵敏度、柔韧性和可拉伸性受到很大限制，在许多要求严苛的新兴领域越来越不适用。因此，针对应力、应变传感器件延展性的研究与发展非常迅猛。就目前的研究来讲，研究人员致力于提升单一传感单元的单一性能。如制备具有精细微纳结构的高灵敏应变或应力传感器来实现对微变形、微压力的感知测量，或者提升柔性传感器件的测量范围来满足不同的工况要求。这种单一功能、指定性能的优化难以应对日益复杂的检测要求来实现复杂信号的提取、精准测量。此外，现有柔性传感器的制备工艺复杂，增加了成本，且不利于批量化规模生产。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种仿生多级结构柔性应力、应变复合式传感器及其制备方法，该传感器实现同时对外界应力、应变的测量，并保证具有较高的灵敏度与工作范围。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种仿生多级结构柔性应力、应变复合式传感器，包括由上而下依次排列并一体成型的用于应变感知的裂缝结构层、用于应力及应变多重感知的导电弹性海绵体和用于应力感知的凸包阵列结构层；

其中，所述裂缝结构层在远离导电弹性海绵体的上表面具有平行裂纹阵列结构；所述凸包阵列结构层在远离导电弹性海绵体的下表面具有规则凸包阵列结构；所述裂缝结构层上表面设有上电极；所述凸包阵列结构层设有下电极，所述上电极和下电极引出一条漆包导线。

在一个优选的实施方案中，所述裂缝结构层的上表面的裂缝结构的宽度为100～200μm，裂缝间隔为100～150μm，裂缝深度为290～310μm。

在一个优选的实施方案中，所述导电弹性海绵体的平均孔隙大小为400μm，分布间隔为200～600μm。

在一个优选的实施方案中，所述导电弹性海绵体具有三维多孔结构是利用方糖作为牺牲模板，通过真空灌注柔性材料制备得到，所述柔性材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

在一个优选的实施方案中，所述凸包阵列结构层的表面印模凸包直径为13～18μm，凸包间隔约为15～20μm，平均高度为5～10μm或者粒径为1～2.5μm的砂纸。

规则凸包阵列结构层下表面凸包结构是通过印模光刻出表面具有规则凸包的模板或者砂纸制备得到。