[发明专利]基于负泊松比结构的应变传感器阵列及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列及其制备方法和应用，涉及传感器领域。该应变传感器阵列包括依次层叠设置的柔性封装层、压阻敏感层和柔性基底层；所述压阻敏感层包括：应变传感阵列，所述应变传感阵列由若干个传感单元相互连接而成，所述传感单元具有负泊松比性质；柔性电极，所述柔性电极与所述应变传感阵列的两端连接；传感线路，所述传感线路与所述柔性电极连接，所述传感线路用于为所述柔性电极和所述应变传感阵列传输电流；薄膜基片，所述薄膜基片与所述应变传感阵列的一面贴合，所述薄膜基片用于负载所述应变传感阵列和所述柔性电极。本发明的应变传感器阵列具有高灵敏度、大拉伸的特点，可应用于可穿戴电子设备。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列及其制备方法和应用。

背景技术

传统的应变传感器因自身材料的性质，其柔韧性和可拉伸性受到很大的限制，在许多要求延展性的可穿戴电子设备等新兴领域越来越不适用，尤其是以电子皮肤为代表，被用来检测人体大幅度的手、胳膊和腿的弯曲移动等活动。目前，单个应变传感器在智能机器人的活动反馈、车辆超载检测、安全驾驶等方面都有很好的应用。但是，单个传感器检测范围有限，要实现大面积柔性曲面的应变检测以及智能交互，需要制作柔性应变传感器阵列。

现有的柔性应变传感器存在传感应力方向单一、应变灵敏度不高的问题，例如公开号为CN106468533A的专利申请，该申请公开了一种石墨烯应变传感器阵列，其传感单元石墨烯三维纳米墙或微片附着于具有微结构的弹性聚合物树脂上，但是这种方式受限于石墨烯材料的刚性结构，传感单元的应变范围受限，且灵敏度不高。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列，具有高灵敏度、大拉伸的特点。

一种基于负泊松比结构的应变传感器阵列，包括依次层叠设置的柔性封装层、压阻敏感层和柔性基底层；

所述压阻敏感层包括：

应变传感阵列，所述应变传感阵列由若干个传感单元相互连接而成，所述传感单元具有负泊松比性质；

柔性电极，所述柔性电极与所述应变传感阵列的两端连接；

传感线路，所述传感线路与所述柔性电极连接，所述传感线路用于为所述柔性电极和所述应变传感阵列传输电流；

薄膜基片，所述薄膜基片与所述应变传感阵列的一面贴合，所述薄膜基片用于负载所述应变传感阵列和所述柔性电极。

上述应变传感器阵列，压阻敏感层的上层和下层均采用柔性材料，压阻敏感层采用负泊松比结构，整体结构上实现了传感器的可拉伸性能；采用多个负泊松比结构相互连接形成应变传感器陈列，使得传感器在受到纵向拉伸时，横向变形为零或者膨胀，增加双向拉伸的大变形的同时也增加了灵敏度和测量范围。本发明的应变传感器阵列可以实现在横向和纵向两个方向的应变变化检测，减少传统应变传感器在细微应变检测中，由于薄膜弹性体在拉伸下承受横向泊松压缩导致的低灵敏度的限制，有助于提高传感器连接的稳定性，提升传感器的应变灵敏度。

在其中一个实施例中，所述传感单元为中空的内凹六角蜂窝状，所述内凹六角蜂窝的长度为15～20mm，高度为10～15mm，边缘宽度为1～2mm，内角为45°～75°。该形状、尺寸和角度的传感单元，可以大幅度提升传感器敏感性，并保证结构的完整性；有助于大拉伸应变下的灵敏度的提高，其主要增敏机理是负泊松比和应变集中的协同效应。

传感单元也可以是其它负泊松比结构，如双箭头型、人字形、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、中心旋转四面体、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形、铰接三角形或以上几种的组合图形。

在其中一个实施例中，所述内凹六角蜂窝的长度为15mm，高度为12mm，边缘宽度为1.5mm，内角为60°。