[发明专利]一种柔性应变传感器及其制作方法

说明书

一种柔性应变传感器及其制作方法，包括依次叠加的封装层、中间层和柔性基底；该中间层设有四组微通道，每组微通道内填充有液态金属构成电阻条，四个电阻条通过导线依次相连构成惠斯通电桥；封装层设有输入线路和输出线路，且分别与惠斯通电桥的输入端和输出端电性连接。本发明在柔性基底表面设计了一种惠斯通电桥结构，以液态金属作为导电介质，在实现良好拉伸性能的同时，也同样具有较高的灵敏度。

技术领域

本发明涉及应变传感器领域，特别是指一种柔性应变传感器及其制作方法。

背景技术

为了实现人体运动全面监测，许多应变传感器得到了广泛的研究。高灵敏度是检测人体生理活动如脉搏、心跳和呼吸频率等的必要条件，同时，良好的拉伸性是检测包括关节运动在内的大规模身体运动的基础。

然而，传感器的拉伸性和高灵敏度是相互矛盾的，高的拉伸性需要一个明显的结构变化而高灵敏度则要求在大变形的情况下保持形态的完整性，因此能够同时满足这两个性能指标的要求是一个难题。一般来说，要满足大范围人体活动检测的基本要求，应变传感器必须同时具备55％以上的良好拉伸性和在全工作范围内大于100的高灵敏度。

现有技术中的柔性传感器主要采用以下方式制备。

1.使用接触印刷法利用半导体纳米线依附于柔性材料制作成场效应晶体管，其源电极通过压敏橡胶接地，外部压力导致压敏电阻的导电性变化，从而改变晶体管的性质，通过检测输出信号的改变获得相应的负载。

2.利用碳纳米管喷涂于PDMS薄片形成矩形导电阵列制作了透明度良好的电容式传感器阵列，蜷曲的碳纳米管以及由其形成的网状结构使宏观的导线能够随着弹性材料的拉伸而伸长同时保证导电性。

3.借助导电纺织品，将其制作成柔性电极嵌入PDMS之中，上层单电极与底层四个电极分别产生电容，通过测量四个电容值的相对变化能够实现对多维力的探测。

4.以类似皮肤机械特性的多孔尼龙作为基质，在基体内电化学沉积聚吡咯作为导电掺杂剂，当载荷加载时，传感器的导电性会增加，以此测得外界载荷。

5.采用高弹性和耐用的伸缩螺旋电极，以PDMS作为主要的结构材料。制作高度扭曲的触觉传感器阵列。可以适应复杂的工作表面而不破坏该传感器结构和金属互连上的感知阵列。

虽然上述应变传感器具有一定的柔性，但是并不能做到真正的可拉伸，缺乏类似皮肤的柔弹性，仍表现出一定的刚性，会使人体产生一些不适应感，难以集成，极大的限制了测量的稳定性、精度和准确度。为实现应变传感器用于人体大范围活动检测，研究一种新型应变传感器的既具有高灵敏度又保证良好的拉伸性能具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的应变传感器具有一定的柔性，但是并不能做到真正的可拉伸的缺陷，提出一种柔性应变传感器及其制作方法。

本发明采用如下技术方案：

一种柔性应变传感器，其特征在于：包括依次叠加的封装层、中间层和柔性基底；该中间层设有四组微通道，每组微通道内填充有液态金属构成电阻条，四个电阻条通过导线依次相连构成惠斯通电桥；封装层设有输入线路和输出线路，且分别与惠斯通电桥的输入端和输出端电性连接。

优选的，包括有第一电阻条、第二电阻条、第三电阻条和第四电阻条，该第一电阻条和第三电阻条横向平行设置，该第二电阻条和第四电阻条纵向平行设置且分别位于第一电阻条和第三电阻条两侧；第一电阻条两端分别与第二电阻条和第四电阻条一端相连，第三电阻条两端分别与第二电阻条和第四电阻条另一端相连。

优选的，所述第一电阻条或第三电阻条与所述第二电阻条和第四电阻条相垂直。

优选的，所述微通道包括若干长通道和若干连接通道，该若干长通道为平行间隔分布，该连接通道连通相邻的两长通道；所述液态金属填充于该长通道和连接通道内。