[发明专利]一种正压导应变传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种正压导应变传感器及其制备方法，以CNF‑C透明水凝胶中绝缘的纳米纤维素(CNF)为填充材料，溶解在透明水凝胶中的Na⁺或K⁺、Cl⁺离子为导电相，均匀分散后得到具有粘流性的液态导电凝胶，该导电凝胶被注入到弹性基体通孔中进行包覆，即可得到可拉伸的应变传感器，解决了应变传感领域中，大应变下电阻信号过大或电流信号过小导致难以测量的难题，从信号测量角度实现了应变传感范围的扩增，且所需原料廉价易得，成本极大地降低。

技术领域

本发明涉及应变传感领域，更具体的说，它涉及一种正压导应变传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，基于导电弹性复合材料的可拉伸应变传感器在电子皮肤、软机器人及可穿戴设备等柔性电子领域得到了广泛的应用。这些复合材料通常是在弹性体基底内填充导电填料的混合物，通过填料在分离过程中产生的电阻变化来感知应变延伸率。因此，大多数弹性复合材料都表现出负压导效应，即拉伸应变下填料电阻增大，复合材料电导率降低。在实际应用中，负压导效应对测量设备的要求严苛：当应变量达到较大值时，电阻信号极可能出现10⁷-10⁹数量级，这已超出常用电阻测试仪器的量程。因此，导电弹性复合材料的压导特性(或称应变响应)对于复合材料在可拉伸应变传感器领域的应用至关重要。

然而，现有的针对导电弹性复合材料压导特性的研究大多集中于降低复合材料的初始电阻，以期望在电阻测量设备的量程内尽可能检测到更大应变量下的电阻信号。这种类型的优化效果十分有限，不能从根本上解决设备量程对复合材料可拉伸上限的限制问题。并且有文献报道，导电弹性复合材料对应变的敏感性与初始电阻有关，一味降低复合材料的初始电阻，极有可能削弱其对拉伸应变的敏感程度。因此，急需设计一种新材料体系或新工艺，可获得具有正压导特性的导电弹性复合材料，从根本上解决设备量程与大应变下复合材料超高电阻信号间的矛盾。

现有应变传感器中的核心是导电弹性复合材料，其通常具有负压导特性，即导电能力随拉伸应变增大而降低，设备可测量的电阻(或电流)量程对复合材料的传感上限具有极大限制。

近年来针对这一问题出现了一些优化方法。中科院研究团队在Ti₃C₂T_x/石墨烯/PDMS应变传感结构中(DOI：10.1016/j.nanoen.2019.104134)增加了石墨烯含量，降低了复合材料的初始电阻，将可探测应变上限由35％提升到75％。但其电阻信号至少在10⁷数量级，需要专用的科研设备才能进行测量。并且初始电阻降低后，该器件对拉伸应变的灵敏度明显降低了。澳大利亚卧龙岗大学研究团队创新设计了液态金属和磁性纳米颗粒复合的正压导材料(DOI：10.1038/s41467-019-09325-4)。该材料在拉伸应变作用下，导电能力反而增强，电阻(电流)信号变化到普通万用表即可检测到的水平。然而其原材料为GaIn液态合金，价格十分昂贵，不具有生物相容性，不适合用于人体接触相关的柔性电子领域；且制备过程依赖于强磁场，对设备要求高。

现有研究虽然公开了一些优化方法，但要么优化效果有限、需要牺牲灵敏度这一重要性能参数，要么存在着设备复杂，工艺繁琐，原材料成本高等缺陷。因此，开发一种低成本、绿色、具有正压导特性的导电弹性复合材料具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种正压导应变传感器及其制备方法，以CNF-C透明水凝胶中绝缘的纳米纤维素(CNF)为填充材料，溶解在透明水凝胶中的Na⁺或K⁺、Cl⁺离子为导电相，均匀分散后得到具有粘流性的液态导电凝胶，该导电凝胶被注入到弹性基体通孔中进行包覆，即可得到可拉伸的应变传感器，解决了应变传感领域中，大应变下电阻信号过大或电流信号过小导致难以测量的难题，从信号测量角度实现了应变传感范围的扩增，且所需原料廉价易得，成本极大地降低。