[发明专利]一种电阻式柔性拉伸应变传感器

说明书

一种电阻式柔性拉伸应变传感器，包括中间薄膜层、负泊松比结构层和导电薄膜层，其中负泊松比结构层包括负泊松比结构的手性单元和嵌入单元，负泊松比结构层附在中间薄膜层的一侧，导电薄膜层附在中间薄膜层的另一侧且对应于嵌入单元和手性单元的中心部分的位置，导电薄膜层的两端接电极；其中，当传感器受到拉伸时，手性单元先发生拉胀变形，嵌入单元在拉伸初始时先旋转而不发生拉胀变形，随着拉伸程度的增加才逐渐发生拉胀变形，从而使手性单元和嵌入单元的中心部分对应的导电薄膜层存在拉胀变形的时间差。该传感器整体结构在大拉伸范围内仍然具有负泊松比效应，从而在大拉伸范围内保持了其高灵敏度。

技术领域

本发明涉及传感器，特别是涉及一种电阻式柔性拉伸应变传感器。

背景技术

近年来，诸如个性化的健康监控、人体运动检测、软体机器人等方面的应用对可伸缩、可皮肤安装和可穿戴的柔性传感器的需求在不断增加。对于柔性传感器的研究，要充分考虑其可拉伸性、灵敏度、耐用性等性能指标，其中可拉伸性和灵敏度又尤为重要。目前提高柔性传感器可拉伸性和灵敏度的主要机制有以下三点：(1)采用纳米复合材料结构；(2)利用变形时的断开或重叠机制；(3)利用裂纹或断裂结构。虽然以上三种机制对柔性传感器的拉伸性和灵敏度的提高做出了巨大贡献，但研发同时具有大可拉伸性和高灵敏度的柔性传感器仍然是一大挑战。

传统的柔性拉伸应变传感器的导电薄膜具有正泊松比效应，即在纵向拉伸下会产生横向压缩，这就使薄膜中的导电材料在纵向上分离而在横向上靠近，从而降低了导电材料在拉伸下的分离程度，进而限制了灵敏度的提高。力学超材料是近年来超材料领域新兴起的一个分支，它主要是通过对内部几何结构进行精心设计，从而获得增强的或自然材料无法获得的机械性能，如负泊松比或负压缩性等。负泊松比效应是指材料拉伸与和拉伸方向垂直的方向都会膨胀，所以负泊松比的特性，会使得导电材料在纵向和横向上都会相互远离，从而提高传感器的灵敏度。但是现有的基于负泊松比结构的传感器的高灵敏度只能维持在一定的范围内，因为负泊松比结构单元在超出一定的拉伸程度后,负泊松比效应会减弱甚至失去负泊松比效应，从而使得灵敏度降低，不能实现大拉伸范围内的持续高灵敏度效应，不能满足较大变形范围下应用的需要。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于负泊松比结构的可在大拉伸范围内保持高灵敏度的电阻式柔性拉伸应变传感器，解决传统的柔性拉伸应变传感器不能同时兼得高拉伸性和高灵敏度，并且不能在大拉伸范围内持续保证高灵敏度的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电阻式柔性拉伸应变传感器，包括中间薄膜层、负泊松比结构层和导电薄膜层，其中所述负泊松比结构层包括负泊松比结构的手性单元和嵌入单元，所述负泊松比结构层附在所述中间薄膜层的一侧，所述导电薄膜层附在所述中间薄膜层的另一侧且对应于所述嵌入单元和所述手性单元的中心部分的位置，所述导电薄膜层的两端接电极；其中，当所述传感器受到拉伸时，所述手性单元先发生拉胀变形，所述嵌入单元在拉伸初始时先旋转而不发生拉胀变形，随着拉伸程度的增加才逐渐发生拉胀变形，从而使所述手性单元和所述嵌入单元的中心部分对应的导电薄膜层存在拉胀变形的时间差。

所述嵌入单元包括回直蜂窝结构单元、内凹菱形结构单元、行星结构单元中的任一种。

所述中间薄膜层为弹性介电材料。

所述弹性介电材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

所述负泊松比结构层为弹性介电材料。

所述弹性介电材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

所述导电薄膜层为碳纳米管薄膜。

所述电极为液态金属材料。

所述液态金属材料为铟锡合金。