液态金属基整手应变传感器及其制备方法

1.本发明涉及柔性电子技术领域，尤其是一种液态金属基整手应变传感器及其制备方法。


背景技术：

2.现有技术中，采用光刻工艺制备基于液态金属的柔性应变传感器。光刻工艺是微流控领域最常用的芯片制造方法，其通过制模-倒模-键合的方法实现应变片的微通道设计和加工，由于常见光刻仪器所能加工的模具大小十分有限，因此无法加工较大的集成化微流控芯片。特别对于整手应变传感器的制备而言，传统光刻工艺无法制造能够实现手指关节多自由度感应的应变片。并且光刻工艺存在设计周期长，制备工艺复杂等缺点。
3.由于受到制备工艺的限制，现有的手指关节传感器结构大多为使用单个应变片同时集成在手套中的结构形式，该结构不够灵活轻便，灵敏度差。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种液态金属基整手应变传感器及其制备方法，目的是实现集成化程度高、大尺寸的整手应变传感器的加工。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种液态金属基整手应变传感器的制备方法，包括：
7.激光切割：
8.采用激光切割在中间弹性膜层上加工出由蛇形微通道构成的手部形状；采用激光切割在上弹性膜层上加工注入孔、在下弹性膜层上加工流出孔，所述注入孔与所述蛇形微通道的入口位置对应，所述流出孔与所述蛇形微通道的出口位置对应；
9.键合：
10.将加工好的三个弹性膜层键合成单元体，使上弹性膜层和下弹性膜层键合在中间弹性膜层的上下两侧，将蛇形微通道封装在单元体的中间；
11.注液：
12.利用夹具将所述单元体从上下两侧夹紧，通过注入孔向蛇形微通道内注入液态金属，直到注满后多余的液态金属从流出孔流出，完成注液；
13.封装：
14.将注入孔与流出孔用导线引出并封装，获得应变传感器。
15.进一步技术方案为：
16.在注液流程中，所述夹具包括顶板和底板，所述顶板和底板上预设有通孔，顶板上的孔用于和注入孔对应连通，底板上的孔用于和流出孔对应连通；
17.注液时，通过点胶针从顶板的孔引出上导管、从底板的孔引出下导管，通过所述上导管向所述注入孔注液，通过所述下导管对所述流出孔流出的液体进行导流。
18.在键合流程中，先将其中两个弹性膜层键合成一体，再与第三个弹性膜层键合成
一体。
19.键合之前，将待键合的两个弹性膜层放入等离子清洗机中进行表面改性。
20.所述激光切割，还包括分别在三个弹性膜层对应位置上加工定位孔，所述定位孔用于在键合时对各弹性膜层进行叠放定位。
21.一种根据所述的液态金属基整手应变传感器的制备方法制得的应变传感器，由上弹性膜层、中间弹性膜层和下弹性膜层键合而成。
22.进一步技术方案为：
23.中间弹性膜层的所述蛇形微通道分布在所述手部形状的每个手指的两个关节位置处。
24.各所述蛇形微通道的入口排成一行，各所述蛇形微通道的出口排成另一行。
25.本发明的有益效果如下：
26.本发明采用激光切割方式在弹性膜层上加工微通道和定位孔，能够加工足够大的尺寸，适用于整手应变传感器的规模化加工。和光刻工艺相比，加工周期短，成本低。
27.采用本发明制备方法制作的应变传感器，每个手指上的上部和中部关节位置处分布有蛇形微通道，可以独立检测整手十个自由度的运动，极大地提高了检测精度和灵敏度。整手应变片最终成品由三层弹性(硅胶)膜组成，极大的满足了轻便性与延展性，以液态金属作为活性材料，进一步提升了应变传感器的延展性。同时本发明的应变传感器集成化程度更高，无需集成在手套上，更加轻便与灵活，适应了目前柔性电子技术朝着轻便、可延展方向发展的趋势。可广泛用于健康监测、智能机器人控制等领域。
附图说明
28.图1为本发明实施例的应变传感器中间弹性膜层的结构示意图。
29.图2为本发明实施例的应变传感器上弹性膜层的结构示意图。
30.图3为本发明实施例的应变传感器下弹性膜层的结构示意图。
31.图4为本发明实施例的夹具顶板结构主视图。
32.图5为本发明实施例的夹具顶板结构剖视图。
33.图6为本发明实施例的夹具底板结构主视图。
34.图7为本发明实施例的夹具底板结构剖视图。
35.图中：1、中定位孔；2、上定位孔；3、注入孔；4、下定位孔；5、流出孔；6、顶板定位孔；7、顶板注液孔；8、底板定位孔；9、底板出液孔；10、蛇形微通道；101、入口；102、出口。
具体实施方式
36.以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
37.本技术的液态金属基整手应变传感器的制备方法，包括：
38.激光切割：
39.采用激光切割在中间弹性膜层上加工出由蛇形微通道构成的手部形状；采用激光切割在上弹性膜层上加工注入孔、在下弹性膜层上加工流出孔，注入孔与蛇形微通道的入口位置对应，流出孔与蛇形微通道的出口位置对应；
40.键合：
41.将加工好的三个弹性膜层键合成单元体，上弹性膜层和下弹性膜层键合在中间弹性膜层的上下两侧，将蛇形微通道封装在单元体的中间；
42.注液：
43.利用夹具将单元体从上下两侧夹紧，通过注入孔对向蛇形微通道内注入液态金属，直到注满后多余的液态金属从流出孔流出，完成注液；
44.封装：
45.将注入孔与流出孔用导线引出并封装，获得应变传感器。
46.利用上述制备方法制得的应变传感器，如图1所示，蛇形微通道10分布在手部形状的每个手指的两个关节位置处。具体的，蛇形微通道10的入口101排列成一行，出口102也排列成一行。为了键合时方便叠压定位，中间弹性膜层上设有中定位孔1。
47.如图2所示，上弹性膜层设有上定位孔2和注入孔3，上定位孔2和中定位孔1的位置对应。注入孔3与蛇形微通道的入口位置对应。
48.如图3所示，下弹性膜层设有下定位孔4和流出孔5，下定位孔4与上定位孔2、中定位孔1的位置对应。流出孔5与蛇形微通道的出口位置对应。
49.具体的，中间弹性膜层采用厚度为0.2mm的硅胶膜，上弹性膜层、下弹性膜层均采用厚度为50-150微米的硅胶膜。注入孔3、流出孔5的直径均为1mm。
50.以下以具体实施例进一步说明本技术的液态金属基整手应变传感器的制备方法。
51.本实施制备方法采用的设备主要包括硅胶膜、激光系统和夹具。
52.选取三个硅胶膜，其中一个厚度为0.2mm，作为中间硅胶膜层，另两个厚度为50-150μm，分别作为上硅胶膜层和下硅胶膜层。硅胶膜可通过采购获得，每个硅胶膜上下表面覆盖有可剥离的保护层。
53.激光系统配备的激光器功率为8w-30w可选，加工幅面500mm*500mm，激光频率为30khz。
54.夹具包括顶板和底板，顶板和底板上预设有孔，顶板上的孔用于和注入孔对应连通，底板上的孔用于和流出孔对应连通。
55.具体的，顶板结构如图4所示，为一块五毫米厚的亚克力板，其上加工有顶板定位孔6和顶板注液孔7。顶板注液孔7用于与注入孔3对应连通。如图5所示，顶板定位孔6为通孔，顶板注液孔7为沉头孔，方便注液。
56.具体的，底板结构如图6所示，在与顶板定位孔6相对应的位置加工有底板定位孔8，同时加工有底板出液孔9。底板出液孔9用于与流出孔5对应连通。如图7所示，底板出液孔9为沉头弯孔，可以使液态金属从底板侧面流出。
57.制备方法包括以下步骤：
58.(1)将中间硅胶膜层其中一侧的保护层剥离，利用激光器在中间硅胶膜层上切割出十个蛇形微通道，使得蛇形微通道分布在每个手指的两个关节位置处。每个蛇形微通道的入口排成一行，出口也排成一行。为了方便注液操作，可将出口所在行与入口所在行平行错开设置。
59.加工蛇形微通道时，激光扫描速度1000mm/s。加工中定位孔，激光扫描速度400mm/s，加工中定位孔时，同时将中间硅胶膜层及其另一侧未剥离的保护层打穿。
60.同样地，将上硅胶膜层一侧的保护层剥离，利用激光器在上硅胶膜层及其另一侧
未剥离的保护层上切割出上定位孔、注入孔；将下硅胶膜层一侧的保护层剥离，利用激光器在下硅胶膜层及其另一侧未剥离的保护层上切割出下定位孔、流出孔。上下定位孔、注入孔和流出孔加工时激光参数设定与加工中定位孔时相同。
61.将各个加工部位的打穿后的多余的膜用镊子剥离。
62.(2)将中间硅胶膜层、上硅胶膜层同时放入等离子清洗机中进行表面改性，取出后将中间硅胶膜层、上硅胶膜层剥离保护层的一侧贴合叠放，通过顶板与底板上相应的定位孔确定相对位置并进行按压，使中间硅胶膜层与上硅胶膜层完全键合。
63.键合后，撕掉中间硅胶膜层另一侧的保护层，将中间硅胶膜层与下硅胶膜层同时放入等离子清洗机中进行表面改性，取出后将中间硅胶膜层与下硅胶膜层剥离保护层的一侧贴合叠放，通过即顶板与底板上相应的定位孔确定相对位置并进行按压，使中间硅胶膜层(及其一侧键合的上硅胶膜层)与下硅胶膜层完全键合。
64.(3)用夹具将键合好的三层硅胶膜层压紧，用点胶针头在顶板注液孔上引出上导管、在底板出液孔上引出下导管。通过针管将液态金属从上导管处分别注入十个蛇形微通道，直到液体从下导管中流出，该过程中要防止液态金属的漏液与过多的溢出。
65.(4)拔下点胶针头，将注液完成的三层硅胶膜层从夹具中取出，将上硅胶膜层与下硅胶膜层剩余一侧的保护层剥离，将注入口与流出口用导线引出，用道康宁734进行封装，即可获得基于液态金属的整手应变片(传感器)成品。
66.具体的，液态金属可采用铟镓锡合金等。
67.本实施例利用激光切割方法集中加工了具有十个独立的手指关节的应变片，可以独立检测整手十个自由度的运动。采用激光加工方法，实现高度集成化的设计，制作周期短、制备成本低，制作过程简单。
68.本实施例制备得到的液态金属基整手应变传感器最终成品由键合而成的三层硅胶膜组成，极大的满足了轻便性与延展性。应变传感器主体结构为蛇形流道结构，可以实现在手指弯曲方向灵敏度较高，而在其他方向灵敏度很低，提高检测精度与速度。液态金属作为活性材料，使应变传感器的延展性完全取决于封装材料。
69.本实施例制备得到的液态金属基整手应变传感器集成化程度高，可检测十个手指关节的弯曲应变，不仅适用于产品实验期的结构探索，还可应用于可穿戴传感、智能机械手控制等领域。