一种单层栅格化切缝多向解耦柔性传感器及制备方法

本发明属于柔性可穿戴传感，主要涉及一种单层栅格化切缝多向解耦柔性传感器及制备方法。

背景技术：

1、柔性应变传感器通常由柔性弹性基底与导电敏感层复合构成。当器件受到拉伸、压缩、弯曲、扭转或按压等外界机械作用时，导电敏感层内部的导电通路、接触状态或局部裂纹开合状态发生变化，从而引起电阻、电流或电压信号变化，以实现对外界力学刺激的感知与监测。

2、现有柔性应变传感器从结构形式上主要可分为连续薄膜型、裂纹敏感型、几何调控型以及多层复合型等。其中，连续薄膜型传感器通常采用碳纳米管、石墨烯、金属纳米线或导电聚合物等材料形成连续导电层，结构简单，但不同方向受力下的信号容易耦合。裂纹敏感型传感器一般依赖导电层内微裂纹在受力过程中的张开与闭合实现电学响应，能够获得较高灵敏度，但裂纹结构通常具有随机性，重复性和方向分辨能力有限。几何调控型传感器则通过蛇形、波纹形、条带状或岛桥式结构对局部应变传递进行调节，以改善器件的可拉伸性和稳定性，但这类结构大多仍以单方向应变检测为主。

3、当需要实现横向、纵向以及垂直方向等多方向力学刺激的区分检测时，现有技术中较为常见的方案通常是采用多层敏感层堆叠结构、上下层正交排布结构、多单元阵列集成结构或多通道复合结构。例如，在上下两层分别布置不同方向的敏感单元，使不同层对应不同方向应变；或者采用多个独立敏感单元分别检测不同方向载荷，再通过后续信号处理实现方向识别。该类方案虽然能够在一定程度上实现多方向检测，但其实现路径通常建立在多层堆叠或多单元组合的基础上。

4、现有柔性应变传感器虽已能够检测拉伸、压缩、弯曲等机械刺激，但在多方向力学信号识别方面仍存在明显局限。尤其是在需要同时区分横向、纵向和垂直载荷时，传统单层连续敏感结构通常只能对整体形变产生响应，难以从结构本身实现多方向信号的独立输出与有效解耦。其原因主要在于：单层导电薄膜受力后，不同方向载荷引起的导电通路变化容易相互叠加，导致输出信号耦合；条带状、蛇形或波纹状等结构多针对单一方向优化，缺乏多方向分辨能力；而依赖随机裂纹响应的传感器虽具有较高灵敏度，但裂纹分布与扩展路径不可控，难以为多方向信号的稳定区分提供可重复的结构基础。

5、为实现多方向力学解耦，现有技术通常采用多层敏感层堆叠、正交排布或多个独立敏感单元组合的方式，使不同层或单元分别对应不同方向刺激。此类方案虽可提高方向分辨能力，但也带来器件结构复杂、工艺流程繁琐、厚度增加以及层间界面易滑移、剥离等问题，不利于柔性器件的轻薄化、稳定性和长期可靠性。此外，多层或多单元方案往往需要多个电极和多通道引线，进一步增加了布线、封装和系统集成难度，并可能引入串扰、接触不良及局部应力集中等问题。因此，现有技术普遍面临单层结构难以直接解耦、而多层结构又复杂度高、界面不稳定和制造难度大的矛盾。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，解决现有传感器单层结构难以直接解耦、多层结构复杂度高、界面不稳定和制造难度大的问题，本发明提供一种单层栅格化切缝多向解耦柔性传感器及制备方法。

2、本发明解决其技术问题的技术方案为一种单层栅格化切缝多向解耦柔性传感器，包括单层导电薄膜敏感层和柔性弹性基底；所述柔性弹性基底的上表面设置单层导电薄膜敏感层；所述单层导电薄膜敏感层上制备微裂纹阵列；所述微裂纹阵列中包括若干微裂纹；所述微裂纹阵列为中心对称图形；所述微裂纹阵列中的每个微裂纹为各向同性；所述微裂纹阵列在外力作用下通过泊松应变诱发各向异性裂纹开合行为，使器件在两个正交方向上表现出不同的双端电阻响应，从而将不同方向载荷映射为可分类、可解耦的电信号组合特征，从而实现多方向载荷的区分检测与解耦输出。

3、更进一步的，所述微裂纹阵列采用激光单次连续扫描的方式在单层导电薄膜敏感层上切割出中心对称的单条不间断的连续回折式切缝阵列或采用激光多次扫描在单层导电薄膜敏感层上切割出多个中心对称的分段回折式切缝阵列。

4、更进一步的，所述连续回折式切缝阵列包括连续螺旋式切缝阵列、正交交错型切缝阵列和栅格化切缝阵列。

5、更进一步的，所述分段回折式切缝阵列包括迷宫型切缝阵列、嵌套型切缝阵列和回字型切缝阵列。

6、更进一步的，所述单层导电薄膜敏感层上集成纵向电极对和横向电极对；纵向电极对用于纵向应变检测；横向电极对用于横向应变检测。

7、一种单层栅格化切缝多向解耦柔性传感器的制备方法包括如下步骤：

8、步骤1：分散导电功能材料，制备导电层；

9、分散导电功能材料，获得导电浆料；将导电浆料沉积或涂覆于临时载体表面，获得导电层；

10、步骤2：对载有导电层的临时载体进行形貌调控处理，使得导电层形成微褶皱、微屈曲或起伏表面形貌；

11、步骤3：将形貌调控处理后的导电层转移并贴附于柔性弹性基底表面；

12、步骤4：去除临时载体，保留转印至柔性弹性基底表面的导电层，即获得单层导电柔性复合膜；

13、步骤5：将单层导电柔性复合膜在预拉伸状态下固定，并对单层导电柔性复合膜进行图案编辑和激光切割，形成中心对称、各向同性的微裂纹阵列；同时在单层导电柔性复合膜上预留薄膜焊盘，作为电极区域；所述电极区域保持连续导通；

14、步骤6：激光切割完成后，根据传感器应用需求全部释放或部分释放预拉伸应变，获得具有多方向力学响应能力的单层导电薄膜敏感层；

15、步骤7：在电极区域连接导线，实现电学连接；采用柔性封装材料对电极区和传感区域进行固定与保护，最终得到单层栅格化切缝多向解耦柔性传感器。

16、更进一步的，所述导电层成膜的方式包括刮涂、旋涂、喷涂、丝网印刷和抽滤转移；所述导电功能材料包括碳纳米管、石墨烯、mxene和银纳米线。

17、更进一步的，所述形貌调控处理包括但不限于热收缩。

18、更进一步的，所述柔性弹性基底包括ecoflex、pdms、tpu、sbs和sebs。

19、本发明的有益效果是：本发明通过单层导电薄膜内的微裂纹阵列实现多方向力学解耦，从结构层面摆脱了对多层复合方案的依赖，其无需多层堆叠或多个独立敏感单元协同工作，而是直接赋予单层敏感层对不同方向载荷的差异化响应能力，实现了由“多层解耦”向“单层解耦”的转变；由此不仅显著简化了器件结构，也避免了层间对位误差、界面剥离、信号串扰及封装复杂等问题，提高了器件一体化程度与整体稳定性。本发明利用软基底泊松应变诱导的各向异性裂纹开合行为及双端电阻差异化响应，实现不同方向载荷的区分检测与解耦输出。虽然该阵列结构在初始状态下具有各向同性和中心对称特征，但在不同加载方式下，裂纹张开、闭合及局部接触状态会表现出明显差异，并进一步转化为可区分的电阻信号，因而，本发明无需依赖多个方向敏感层分别输出信号，而是通过单层结构内部的裂纹响应差异实现载荷方向识别和信号解耦。本发明在保持单层轻薄结构的同时，兼具良好的柔性适配能力和工艺实现性；由于核心敏感层为单层导电薄膜，器件整体更轻、更薄、更柔软，更易贴附于皮肤、关节及其他复杂曲面，有利于提高穿戴舒适性与动态稳定性；同时，其功能实现主要依赖单层薄膜内部微结构设计，而非复杂多层工艺，因此制备流程相对简化，更有利于一致性控制与后续批量制造。