[0001] 本发明属于传感器制作和封装技术领域， 尤其涉及一种柔性可拉伸应变传感器 及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着信息吋代的应用需求越来越高， 对被测量信息的范围、 精度和稳定情况等 各性能参数的期望值和理想化要求逐步提高。 运用到可穿戴设备的传感器系统 在一些运用上逐渐表现出其局限性， 包括目前的传感器柔性不足， 不能做到真 正的可拉伸， 一旦应变或弯曲角度过大， 整个传感器的结构将会得到破坏而失 效； 灵敏度低， 容易受到人体生理信号噪声的干扰， 造成信号采集模糊和不完 整。

[0003] 自 2012年谷歌公司召幵幵发者大会， 推出的 "谷歌眼镜"极大地推动刺激了市场 对可穿戴设备的兴趣。 短短几年内各种各样的可穿戴设备的出现， 给我们生活 带来了各种各样的便利。 例如智能手表体温脉搏检测和计步功能、 高灵敏度的 电子皮肤向大脑传递皮肤触觉信息、 利用三维微电极实现大脑皮层控制假肢等 。 而传感器作为核心部件之一， 将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。 在 可穿戴设备实际使用过程中， 许多吋候要求传感器透明、 柔韧、 延展、 可自由 弯曲甚至折叠、 高灵敏度等特点， 特别是工作环境直接是在各个变形量较大的 人体复杂不规则皮肤表面， 例如关节的变形检测等。

[0004] 现有技术中的柔性传感器主要采用以下方式制 备。

[0005] 1.使用接触印刷法利用半导体纳米线依附于柔� ��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。

[0006] 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� �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吋保证导电性。 [0007] 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。

[0008] 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 导电惨杂剂， 当载荷加载吋， 传感器的导电性会增加， 以此测得外界载荷。

[0009] 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。

[0010] 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， 不能够完全实现在覆盖三维复杂静 /动态表面的条件下， 完成 对于外界载荷的测量。 在应变或者弯曲角度较大吋， 整个系统将会破坏失效。 同吋相对于人体皮肤表面来说， 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。 另外， 人体生 理信号很容易受到外界因素的干扰， 如汗渍， 肌肉收缩等， 而用户又无法排除 这些影响因素， 造成数据采集模糊性和不完整性， 可靠性欠佳。

技术问题

[0011] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足， 提供了一种柔性可拉伸应变传感 器及其制备方法， 其柔性可拉伸应变传感器的稳定性、 精度和准确度、 可靠性

问题的解决方案

技术解决方案

[0012] 本发明的技术方案是： 一种柔性可拉伸应变传感器， 包括柔性基体， 所述柔性 基体内具有柔性的微通道， 所述微通道内设置有液态导体或半液态导体， 所述 微通道的两端设置有电极。

[0013] 可选地， 所述柔性基体采用降解聚酯材料或硅橡胶材料 。

[0014] 可选地， 所述微通道内设置有液体导体共晶镓铟。

[0015] 可选地， 所述微通道呈条形、 折线形、 蛇形、 圆形或弧形； 或者 /和， 所述微 通道设置有一个或至少两个。 [0016] 本发明还提供了一种可穿戴设备， 所述可穿戴设备具有上述的一种柔性可拉伸 应变传感器。

[0017] 本发明还提供了一种柔性可拉伸应变传感器的 制备方法， 包括以下步骤：

[0018] 制备具有微通道的柔性基体； 于所述微通道内注入液态导体或半液态导体， 于 所述微通道的两端插入电极。

[0019] 可选地， 制备所述柔性基体包括以下步骤：

[0020] 制备微通道模具和柔性材料溶液， 将柔性材料溶液混合后去除气泡；

[0021] 向微通道模具中加入混合并去除气泡后的所述 柔性材料溶液形成柔性基体主体

[0022] 在基板上滴入混合并去除气泡后的柔性材料溶 液， 并使柔性材料溶液形成一层 柔性材料薄膜；

[0023] 将所述柔性基体主体压于未完全固化的所述柔 性材料薄膜上， 使所述柔性基体 主体和柔性材料薄膜形成具有微通道的柔性基 体。

[0024] 可选地， 于所述微通道内注入液态导体或半液态导体包 括以下步骤：

[0025] 采用两个注射器插入所述微通道的两端， 其中一个注射器内具有液态导体； 另 一个注射器抽所述微通道中的空气， 具有液态导体的注射器向所述微通道内注 入液态导体， 使液态导体充满微通道， 拔出所述注射器。

[0026] 可选地， 于所述微通道的两端插入电极包括以下步骤：

[0027] 将两个电极分别插入所述微通道的两端， 使用柔性材料溶液密封微通道。

[0028] 可选地， 将柔性材料溶液混合和去除气泡包括以下步骤 ：

[0029] 采用 Ecoflex系列硅橡胶溶液放入离心混合器的容器� �， 所述离心混合器的转速 为 300-400rpm， 保持吋间为 10-15s后， 所述离心混合器的转速提高到 1400-1600rp m， 保持吋间为 25-30s， 得到混合后的硅橡胶溶液；

[0030] 把混合后的硅橡胶溶液放入真空抽滤装置中， 幵启所述真空抽滤装置的真空泵 ， 得到去除气泡后的硅橡胶溶液；

[0031] 形成柔性基体主体包括以下步骤：

[0032] 在所述微通道模具表面喷至少一层脱模剂薄膜 ， 接着使用移液器往所述微通道 模具中填充去除气泡后的硅橡胶溶液； [0033] 将所述微通道模具移到烤箱中， 在 80摄氏度的条件下烘烤 45-60min， 脱模后得 到柔性基体主体；

[0034] 在基板上滴入去除气泡后的硅橡胶溶液， 放入匀胶机中旋转形成一层硅橡胶薄 膜， 匀胶机转速设置为 350-400rpm， 匀胶吋间为 25-30秒；

[0035] 在硅橡胶薄膜处于半凝固状态吋把脱模后的柔 性基体主体压在硅橡胶薄膜上， 待柔性基体主体与硅橡胶薄膜粘接密封完好吋 放在室温静置 45-60min， 得到具有 微通道的柔性基体。

发明的有益效果

有益效果

[0036] 本发明所提供的一种柔性可拉伸应变传感器及 其制备方法， 其该应变传感器以 高度柔性的 Ecoflex系列材料作为基本材料。 倒入事先由光刻工艺制备的微型模 具中倒模出内部的微通道或微通道阵列， 接着旋涂一层同样材料的薄膜密封整 个微通道。 注入液体导体共晶镓铟充满整个通道。 最后在微通道的两端插入电 极再次密封即完成制备。 在该传感器工作吋， 由于外部载荷的作用造成微通道 长度和横截面的改变， 从而改变电阻。 在电极两端加上恒流源。 把电阻信号变 为方便测量的电压信号， 通过对电压信号的分析得到相应的应变值。 该柔性传 感器在应变达到 300%吋仍能正常工作， 几乎能与任何复杂的三维表面集成工作 对附图的简要说明

附图说明

[0037] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案 ， 下面将对实施例中所需要使用 的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实 施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以 根据这些附图获得其他的附图。

[0038] 图 1是本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变� �感器的平面示意图；

[0039] 图 2是本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变� �感器中微通道呈蛇形吋的平 面示意图；

[0040] 图 3是本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变� �感器的制备方法中制备硅橡 胶溶液的平面示意图；

[0041] 图 4是本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变� �感器的制备方法中硅橡胶溶 液混合后的平面示意图；

[0042] 图 5是本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变� �感器的制备方法中硅橡胶溶 液去除气泡后的平面示意图；

[0043] 图 6是本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变� �感器的制备方法中在微通道 模具上填充硅橡胶溶液吋的平面示意图；

[0044] 图 7是本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变� �感器的制备方法中在微通道 模具上填充硅橡胶溶液后经烘烤后的平面示意 图；

[0045] 图 8是本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变� �感器的制备方法中在基板上 滴入硅橡胶溶液后的平面示意图；

[0046] 图 9是本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变� �感器的制备方法中将柔性基 体主体与薄膜压合吋的平面示意图；

[0047] 图 10是本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变� ��感器的制备方法中得到的柔 性可拉伸应变传感器的平面示意图。

本发明的实施方式

[0048] 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例 ， 对本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明， 并不用于限定本发明。

[0049] 需要说明的是， 当元件被称为 "固定于"或"设置于"另一个元件， 它可以直接在 另一个元件上或者可能同吋存在居中元件。 当一个元件被称为是 "连接于"另一个 元件， 它可以是直接连接到另一个元件或者可能同吋 存在居中元件。

[0050] 还需要说明的是， 本发明实施例中的左、 右、 上、 下等方位用语， 仅是互为相 对概念或是以产品的正常使用状态为参考的， 而不应该认为是具有限制性的。

[0051] 如图 1所示， 本发明实施例提供的一种柔性可拉伸应变传感 器， 包括柔性基体 1 ， 柔性基体 1可以采用硅橡胶材料 （例如 Ecoflex系列） 等制成。 所述柔性基体 1 内具有柔性的微通道， 柔性的微通道其长度和横截面可在外力作用下 改变， 且 微通道 10为封闭腔体， 所述微通道 10内设置有半液态导体或液态导体 3， 半液态 导体或液态导体 3可以充满微通道 10。 所述微通道 10的两端设置有电极 2， 电板 的端部与微通道 10内的半液态导体或液态导体 3接触， 在该传感器工作吋， 由于 外部载荷的作用造成微通道 10的长度和横截面改变， 从而改变半液态导体或液 态导体 3的电阻。 在两端的电极 2加上恒流电源。 把电阻信号变为方便测量的电 压信号， 通过对电压信号的分析得到相应的应变值， 该传感器在工作吋主要采 集密封的微通道 10中液体导体或半液态导体电阻变化信号， 具有高度挠性、 可 拉伸性和薄的几何特点， 使之能直接与任何柔性执行机构集成， 且灵敏度高， 抗干扰能力强， 该柔性传感器在应变达到 300%吋仍能正常工作， 特别适用于可 穿戴设备领域尤其是大变形情况等， 且稳定性、 精度、 准确度和可靠性高。

[0052] 可选地， 柔性可拉伸应变传感器的厚度可以小于 lmm， 即柔性基体 1的厚度可 以小于 lmm， 可以很好地适用于智能穿戴设备中。

[0053] 可选地， 所述柔性基体 1可以采用降解聚酯材料或硅橡胶材料， 本实施例中， 柔性基体 1采用 Ecoflex系列的硅橡胶材料作为基本材料， 具体应用中， 可以采用 德国 BASF公司所制造的脂肪族芳香族无规共聚酯 （Ecoflex) ， 其单体可为： 己 二酸、 对苯二甲酸、 1,4-丁二醇。 可降解材料一般认为是一种通过太阳光辐射或 土壤中微生物等方式使其能分解成为低分子物 的塑料， 它除具有可降解性外， 还应有易于加工及满足使用要求的性能。 完全生物降解性塑料在化学方法合成 吋用利用脂肪族聚脂、 聚乙烯醇 （PVA) 和聚乙二醇生产容易降解。 利用这些 高分子易生物降解的特性对生物降解塑料进行 研究幵发， 其中以对脂肪族聚脂 的研究优为突出。 在纵多的脂肪族聚脂的中， 聚己内脂 （PCL) 应用甚广， 它是 一种热塑性结晶型聚脂， 可以被脂肪酶水解成小分子， 然后， 进一步被微生物 同化， 可以用于外科用品、 黏结膜、 脱膜剂等产品。 脂肪族聚脂与尼龙进行胺 脂的交换反应， 合成聚酰脂共聚物 （CPAE) ， 在用动植物的天然高分子合成吋 ， 植物的纤维素、 淀粉等， 动物中的壳聚糖、 聚氨基葡萄糖、 动物胶以及海洋 生物的藻类等， 可以制造有价值的生物降解材料。 生物可降解聚酯是一种新型 高分子聚合材料， 可通过发酵、 化学方法和酶催化来合成。

[0054] 可选地， 所述微通道 10内设置有液体导体共晶镓铟作为液态导体， 当然， 也可 以设置其它液态金属导体。 电极 2可以从柔性基体 1长度方向的两端或微通道 10 的两端插入至前端与微通道 10内设置有半液态导体或液态导体 3相接触。 电极 2 与柔性基体 1之间可以通过密封材料密封， 以进一步提高其可靠性。 密封材料可 以为硅橡胶溶液材料 （Ecoflex) 。

[0055] 具体应用中， 所述微通道 10可以呈条形、 折线形或蛇形， 如图 2所示， 柔性可 拉伸应变传感器 100中蛇形的微通道 10呈往复弯折状， 其更易变形， 可用于相对 较大面积处的人体皮肤表面， 传感的精准度和稳定性得以进一步提高。 当然， 微通道 10也可以呈其它的结构形状， 例如圆形、 弧形、 渐幵线形或异形等， 均 属于本发明的保护范围。

[0056] 可选地， 所述微通道可以设置有一个或至少两个， 微通道可以是一个， 也可以 是多个， 至少两个微通道可以形成微通道阵列， 微通道阵列中的微通道可以呈 矩形阵列或环形阵列状等。

[0057] 在该柔性可拉伸应变传感器的拉伸试验中， 其灵敏度较高， 且采集的信号表现 出良好的线性度和可重复性， 稳定性、 精度、 准确度和可靠性高。 应变达到 300 %仍能正常工作， 能较好的附着在复杂的三维动静态曲面， 如大变形的人体关节 处 (肘关节、 膝关节)， 与皮肤亲和性好， 对人正常工作学习几乎没影响。 是可穿 戴设备的理想柔性传感器。

[0058] 本发明还提供了一种可穿戴设备， 所述可穿戴设备具有上述的柔性可拉伸应变 传感器。 可穿戴设备可以为智能手表、 智能手环、 智能眼镜、 智能服装、 虚拟 现实头盔等。 通过柔性可拉伸应变传感器的应用， 该柔性可拉伸应变传感器的 表现厚度不足 lmm， 且表现出非常好的柔弹性， 拉伸应变达到 300%仍能正常工 作， 足以和人体皮肤媲美， 另外可以采用生物相容性的 Ecoflex材料作为基本材 料， 在集成到穿戴式设备中人几乎没有不适应感。 并且， 该传感器采集的是密 封微通道 10电阻信号， 排除了外界噪声对信号的干扰， 采集数据较为准确。 通 过光刻工艺刻画的微通道 10大大提高了传感器的灵敏度。 当然， 本发明实施例 所提供的柔性可拉伸应变传感器也可以应用于 其它设备上， 也属于本发明的保 护范围。

[0059] 本发明实施例还提供了一种柔性可拉伸应变传 感器的制备方法， 如图 3至 10所 示， 包括以下步骤：

[0060] 制备具有密封的微通道 10的柔性基体 1 ; 于所述微通道 10内注入半液态导体或 液态导体 3， 于所述微通道 10的两端插入电极 2。 半液态导体或液态导体 3可以充 满微通道 10内， 电极 2的端部与半液态导体或液态导体 3接触。

[0061] 可选地， 制备所述柔性基体 1包括以下步骤：

[0062] 制备微通道模具 41和柔性材料溶液， 将柔性材料溶液混合后去除气泡；

[0063] 向微通道模具 41中加入混合并去除气泡后的所述柔性材料溶� ��形成柔性基体主 体 11 ;

[0064] 在基板 42上滴入混合并去除气泡后的柔性材料溶液， 并使柔性材料溶液形成一 层柔性材料薄膜 （硅橡胶薄膜 12) ；

[0065] 将所述柔性基体主体 11压于未完全固化的所述柔性材料薄膜 （硅橡胶薄膜 12) 上， 使所述柔性基体主体 11和柔性材料薄膜 （硅橡胶薄膜 12) 形成具有微通道 1

0的柔性基体 1 ;

[0066] 可选地， 于所述微通道 10内注入半液态导体或液态导体 3包括以下步骤：

[0067] 可以采用两个注射器插入所述微通道 10的两端， 其中一个注射器内具有液态导 体 3 ; 另一个注射器抽所述微通道 10中的空气， 具有液态导体 3的注射器向所述 微通道 10内注入液态导体 3， 使液态导体 3充满微通道 10， 拔出所述注射器。

[0068] 可选地， 于所述微通道 10的两端插入电极 2包括以下步骤：

[0069] 将两个电极 2分别插入所述微通道 10的两端， 使用柔性材料溶液密封微通道 10

[0070] 可选地， 将柔性材料溶液混合和去除气泡包括以下步骤 ：

[0071] 可以采用 Ecoflex系列硅橡胶溶液放入离心混合器的容器� �， 所述离心混合器的 转速为 300-400rpm， 保持吋间为 10-15s后， 所述离心混合器的转速提高到 1400-1

600rpm, 保持吋间为 25-30s， 得到混合后的硅橡胶溶液；

[0072] 把混合后的硅橡胶溶液放入真空抽滤装置中， 幵启所述真空抽滤装置的真空泵

， 得到去除气泡后的硅橡胶溶液； 可以理解地， 柔性材料溶液不限于硅橡胶溶 液。

[0073] 形成柔性基体主体 11包括以下步骤： [0074] 在所述微通道模具 41表面喷至少一层脱模剂薄膜， 接着使用移液器往所述微通 道模具 41中填充去除气泡后的硅橡胶溶液；

[0075] 将所述微通道模具 41移到烤箱中， 在 80摄氏度的条件下烘烤 45-60min， 脱模后 得到柔性基体主体 11 ;

[0076] 在基板 42上滴入去除气泡后的硅橡胶溶液， 放入匀胶机中旋转形成一层硅橡胶 薄膜 12， 匀胶机转速设置为 350-400rpm， 匀胶吋间为 25-30秒；

[0077] 在硅橡胶薄膜 12处于半凝固状态吋把脱模后的柔性基体主体 11压在硅橡胶薄膜 12上， 待柔性基体主体 11与硅橡胶薄膜 12粘接密封完好吋放在室温静置 45-60min ， 得到具有微通道 10的柔性基体 1。

[0078] 具体应用中， 可以参考如下流程：

[0079] 通过光刻法制作好的微通道模具 41(材料为 SU-8光刻胶)； 液体金属导体共晶镓 铟 ((EGaln) ; 具有高度柔性的 Ecoflex系列材料； ease release 200脱模剂。 具体包 括以下步骤：

[0080] 第一步： 如图 3和图 4所示， 分别取等质量的 Ecoflex 1 A和 1B， 放入离心混合器 的容器中， 为保证两种硅橡胶充分均匀混合。 离心混合器转速为 300-400rpm， 保 持吋间为 10-15s， 接着转速提高到 1400-1600rpm， 保持吋间为 25-30s。

[0081] 第二步： 如图 4和图 5所示， 把第一步中的硅橡胶溶液放入真空抽滤装置中 ， 打 幵真空泵， 直到去除溶液中所有气泡。

[0082] 第三步： 如图 6所示， 把微通道模具 41表面喷上一层脱模剂薄膜 12， 接着使用 移液器往模具中填充第二步中得到的硅橡胶溶 液， 如图 6所示。

[0083] 第四步： 填充后的微通道模具 41移到烤箱中， 在 80摄氏度的条件下烘烤 45-60m in, 如图 7所示， 得到柔性基体主体 11。

[0084] 第五步： 在基板 42上滴入适量的第二步中得到的硅橡胶溶液， 放入匀胶机中旋 转形成一层薄膜 12， 匀胶机转速设置为 350-400rpm， 匀胶吋间为 25-30s， 如图 8 所示。

[0085] 第六步： 在第五步中形成的薄膜 12处于半凝固状态吋， 把脱模的微通道硅橡胶

(柔性基体主体 11) 轻轻压在薄膜 12上， 待粘接密封完好吋放在室温静置 45-60 min， 如图 9所示。 [0086] 第七步： 取两只微型注射器插入微通道 10两端， 一个注射器用来抽微通道 10里 面的空气， 引流液体导体 -EGaln, —个注射器用来持续注入液体导体 （EGaln) 到微通道 10中。 当液体导体 （EGaln) 填充满整个微通道 10吋， 插入电极 2， 取 少量的硅橡胶溶液 （第二步中得到） 密封住端口， 这样就可以得到柔性可拉伸 电子应变传感器， 如图 10所示。 该方法制备简单， 可一次性实现批量生产， 提 高了吋间和成本效益。 特别适用于可穿戴设备领域尤其是大变形情况 等。

[0087] 本发明实施例所提供的一种柔性可拉伸应变传 感器及其制备方法， 该应变传感 器以高度柔性的 Ecoflex系列材料作为基本材料。 倒入事先由光刻工艺制备的微 型模具中倒模出内部的微通道 10或微通道 10阵列， 接着旋涂一层同样材料的薄 膜 12密封整个微通道 10。 注入液体导体共晶镓铟充满整个通道。 最后在微通道 1 0的两端插入电极 2再次密封即完成制备。 在该传感器工作吋， 由于外部载荷的 作用造成微通道 10长度和横截面的改变， 从而改变电阻。 在电极 2两端加上恒流 源。 把电阻信号变为方便测量的电压信号， 通过对电压信号的分析得到相应的 应变值。 该柔性传感器在应变达到 300%吋仍能正常工作。 几乎能与任何复杂的 三维表面集成工作。

[0088] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的 精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换或改进等， 均应包含在本发明的保 护范围之内。