一种基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器及其制备方法

本发明属于传感器，具体涉及一种基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术：

1、柔性应变传感器能够将外界输入的应变信号转化为电学信号，在可穿戴电子设备、人机交互、软体机器人等领域显示出很好的发展潜力。同时，对柔性应变传感器的灵敏度、稳定性等主要性能的要求也在不断提升。

2、受蜘蛛腿部狭缝器官启发的基于微裂纹结构的柔性应变传感器因其具有极高的灵敏度而受到广泛的关注。基于微裂纹结构的柔性应变传感器通常是由牢固结合的柔性基底层和其表面的脆性导电层组成，由于这两层材料的弹性模量具有较大差异，当传感器受到拉伸或弯曲应变时，脆性导电层中的金属极易产生并扩展出微裂纹，进而减少脆性导电层内部的导电通路，最终导致传感器的电阻急剧增大。当应变撤去后，微裂纹的间隙变小，电阻又恢复至初始状态。该机制利用了微裂纹产生和恢复的可逆性，微裂纹边缘的金属的间歇性连接导致了柔性应变传感器的高灵敏度。

3、基于微裂纹结构的柔性应变传感器的裂纹引入方法大多采用直接对柔性应变传感器施加应变,从而在其表面产生并扩展出微裂纹，通过这种方法产生的微裂纹的分布密度、位置和方向等特征会由于柔性应变传感器表面缺陷分布的随机性等因素而呈现随机性，这种随机性会影响柔性应变传感器的灵敏度等性能，并可能产生破坏性裂纹进而影响柔性应变传感器的稳定性。针对以上问题，以下提出一种解决方案。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器及其制备方法。相较于已有的基于自由随机裂纹的柔性应变传感器，该传感器表面分布有倒金字塔微结构孔阵列。当传感器相对的两个侧面受到垂直于侧面向外的反方向拉伸力产生应变时，倒金字塔微结构孔顶面的尖端会形成应力集中区，从而在相邻的倒金字塔微结构孔之间诱导产生与拉伸方向垂直的近似直线状的微裂纹。这种具有规则分布密度、位置和方向的微裂纹能够有效改变电流的传输通路从而提高传感器的灵敏度。此外，该传感器具有制备方法简单、成本低等特点。

2、为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器，包括方形的柔性基底层和溅射在柔性基底层上表面的脆性导电层，所述柔性基底层的上表面分布有倒金字塔微结构孔阵列，所述倒金字塔微结构孔阵列由若干倒金字塔微结构孔排列组成，所述倒金字塔微结构孔的正方形顶面与柔性基底层的上表面共面。

3、所述柔性基底层的材料为聚二甲基硅氧烷(pdms)，其长、宽、厚分别为12mm、12mm、1.5mm。

4、所述脆性导电层的材料为au、ag、cu、pt、cr、ti等金属中的任一种或几种的组合，当采用ti/au时，其厚度分别为5nm和30nm，金属ti用于增强金属au与柔性基底层之间的粘附性。

5、所述倒金字塔微结构孔的倒金字塔顶面中心到顶面尖端的距离为100μm，相邻倒金字塔的顶面中心的距离为300μm，倒金字塔的高度为150μm。

6、所述倒金字塔微结构孔阵列的排列方式为：倒金字塔微结构孔的侧棱在倒金字塔微结构孔顶面的投影与柔性基底层上表面的四条边平行或垂直。

7、所述倒金字塔微结构孔阵列的排列方式能够确保传感器相对的两个侧面受到垂直于侧面向外的反方向拉伸力产生应变时，倒金字塔微结构孔顶面的尖端会形成应力集中区，从而在相邻的倒金字塔微结构孔之间诱导产生与拉伸方向垂直的近似直线状的微裂纹。

8、所述微裂纹的宽度范围为10nm～800nm。

9、所述一种基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

10、步骤1，通过3d打印技术制备表面分布有正金字塔微结构阵列的模具；

11、步骤2，利用模具和pdms溶液倒模出具有倒金字塔微结构孔阵列的柔性基底层；

12、步骤3，使用氧等离子体对柔性基底层进行表面处理；

13、步骤4，使用磁控溅射系统在柔性基底层表面溅射脆性导电层；

14、步骤5，对传感器进行预拉伸以便在相邻倒金字塔微结构孔之间形成微裂纹。

15、步骤1所述具有正金字塔微结构阵列的模具的组成材料为htl耐高温光敏树脂，模具的长、宽、厚分别为15mm、15mm、4mm。打印完成后需要利用乙醇以及氢氟醚清洗剂对模具进行表面处理以便后续的倒模和脱模过程。

16、步骤2所述pdms溶液的制备方法为：将pdms预聚物和pdms固化剂以10：1的质量比在烧杯中充分混合并搅拌均匀，然后在真空抽气箱内脱气处理15min以去除pdms溶液中的气泡。

17、步骤2所述柔性基底层的制备方法为：将pdms溶液倒入步骤1所制备的模具中，再次进行脱气处理后将模具置于恒温干燥箱中从而将pdms完全固化。最后，将模具取出，待其恢复室温后将pdms薄膜从模具中剥离。

18、步骤3所述氧等离子体处理时间为2min，射频电源功率为80w，气体流量为50ml/min，目的是增强柔性基底层的亲水性和粘附性。

19、步骤4所述脆性导电层ti/au的厚度分别为5nm和30nm，溅射速率分别为6.25nm/min和60nm/min。

20、步骤5所述预拉伸方向为垂直于传感器相对的两个侧面向外。

21、本发明的有益效果：

22、1.传统的基于微裂纹结构的柔性应变传感器所产生的裂纹具有随机性。本发明能够利用倒金字塔微结构孔阵列产生应力集中，从而有效地在相邻的倒金字塔微结构孔之间诱导产生规则的近似直线状的微裂纹，且微裂纹方向与拉伸方向保持垂直。这种微裂纹能够有效的提升传感器的灵敏度。此外，该传感器诱导产生的微裂纹具有规则的分布密度、位置和方向。

23、2.本发明中3d打印、倒模等工艺的使用，使该基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器具有制备方法简单、成本低、可快速制备等优势。

24、3.本发明基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器具有灵敏度高、稳定性好等优势，在0％～7.6％和7.6％～10％的应变范围内分别具有761和9327的灵敏度，在手势识别、拉伸方向检测等方面具有良好的应用前景。

技术特征：

1.一种基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性应变传感器包括方形的柔性基底层(2)和溅射在柔性基底层(2)上表面的脆性导电层(1)，所述柔性基底层(2)的上表面分布有倒金字塔微结构孔阵列，所述倒金字塔微结构孔阵列由若干倒金字塔微结构孔(3)排列组成，所述倒金字塔微结构孔(3)的正方形顶面与柔性基底层(2)的上表面共面；当传感器相对的两个侧面受到垂直于侧面向外的反方向拉伸力产生应变时，倒金字塔微结构孔(3)顶面的尖端会形成应力集中区，从而在相邻的倒金字塔微结构孔(3)之间诱导产生与拉伸方向垂直的微裂纹(4)。

2.根据权利要求1所述的基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于，若干所述倒金字塔微结构孔(3)的排列方式为：倒金字塔微结构孔(3)的侧棱在倒金字塔微结构孔(3)顶面的投影与柔性基底层(2)上表面的四条边平行或垂直。

3.根据权利要求1所述的基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性基底层(2)的材料为聚二甲基硅氧烷(pdms)。

4.根据权利要求1所述的基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述脆性导电层(1)为au、ag、cu、pt、cr、ti等金属中的任一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述的基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述微裂纹(4)的宽度范围为10nm～800nm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤2所述的pdms溶液的制备方法为：将pdms预聚物和pdms固化剂以10：1的质量比在烧杯中充分混合并搅拌均匀，然后在真空抽气箱内脱气处理以去除pdms溶液中的气泡。

技术总结本发明公开了一种基于诱导微裂纹结构的柔性应变传感器及其制备方法，该柔性应变传感器包括方形的柔性基底层和溅射在柔性基底层上表面的脆性导电层。柔性基底层的上表面分布有倒金字塔微结构孔阵列，微结构孔的侧棱在倒金字塔微结构孔顶面的投影与柔性基底层上表面的四条边平行或垂直。当传感器相对的两个侧面受到向外的反方向拉伸产生应变时，倒金字塔微结构孔顶面的尖端会形成应力集中区，从而在相邻的倒金字塔微结构孔之间诱导产生与拉伸方向垂直的微裂纹。本发明的柔性应变传感器通过3D打印、倒模、溅射等工艺制备，具有方法简单、成本低等优势，且灵敏度高、稳定性好，在手势识别、拉伸方向检测等方面具有良好的应用前景。技术研发人员：车录锋,陈明受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26