一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器及制备方法

1.本发明涉及液态金属传感器的技术领域，更具体地，涉及一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器及制备方法。


背景技术：

2.目前液态金属应变传感器均采用注射法将液态金属注射到横截面为圆形或方形的通道内，当传感器受拉应力时通道长度增加并且横截面缩小，从而电阻增大，通过电阻的变化感知应变大小。但目前的液态金属应变传感器的灵敏度较低，使液态金属应变传感器无法检测较小应变，这极大的限制了液态金属应变传感器在可穿戴生理信号检测等领域的应用。
3.现有技术提供了一种高灵敏度的液态金属应变传感器，包括应变传感器弹性主体、使液态金属应变传感器形成应力集中的嵌入体和液态金属，所述液态金属缠绕在所述嵌入体上形成应变传感器传感主体，所述应变传感器传感主体嵌入在所述应变传感器弹性主体的内部，所述嵌入体的弹性模量大于所述应变传感器弹性主体的弹性模量。现有技术采用嵌入体使液态金属应变传感器形成应力集中，从而产生挤压液态金属的效果，使液态金属横截面缩小，因而能够提高其电阻的变化，提高灵敏度。
4.上述现有技术的液态金属仅能保持在单向拉伸时电阻恒定变小，当受到其他方向的拉伸时电阻变化的数值不稳定，电阻变化的灵敏度也受到影响，导致应变检测输出的电信号紊乱，存在液态金属的拉伸各向异性的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中液态金属的拉伸各向异性的不足，提供一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器及制备方法。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
7.提供一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器，包括弹性主体、设置在弹性主体内的液态金属主体以及分别连接于液态金属主体两端且伸出弹性主体表面的导线，所述液态金属主体在弹性主体内呈皮亚诺曲线状。
8.本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器，弹性主体作为液态金属主体的形变载体用于接受外力对其的拉伸，达到对设置在弹性主体内的液态金属主体拉伸形变的效果，液态金属主体受拉应力时通道长度增加并且横截面缩小，从而电阻增大，通过电阻的变化感知应变大小，分别连接于液态金属主体两端且伸出弹性主体表面的导线用于外接检测设备读取液态金属主体的电阻变化大小，感知应变程度；皮亚诺曲线状的液态金属主体无论在横向或是纵向在拉伸时，从最外围图案开始变形，次外层不变形，随着拉伸量的增大图案变形逐渐由外向内，电阻的稳定增大得益于图案整体的稳定形变，不会出现液态金属主体的局部过度形变而导致液态金属主体分段，因此皮亚诺曲线状的液态金属主体赋予了传感器卓越的各向同性拉伸属性，解决了现有技术中液态金属主体的拉伸各向异性的技术
问题。
9.进一步地，所述液态金属主体所呈的皮亚诺曲线转角处皆为圆弧线。将液态金属主体所呈的皮亚诺曲线转角处设置为圆弧线，有利于提升液态金属主体拉伸的延展性和分散弹性主体传递的形变，并提高整体图案均匀形变的协调性，避免液态金属由于局部形变过大断裂而导致电阻变化率过大。
10.进一步地，所述弹性主体由完全固化的固态硅橡胶构成。固态硅橡胶的弹性模量接近人体皮肤，并且具有拉伸延展性好、吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定以及机械强度高的特点，可很好地应用于人体的智能穿戴设备。
11.进一步地，所述弹性主体的截面为矩形。矩形的截面不仅便于弹性主体进行各向的拉伸，并且便于加工。
12.进一步地，所述导线为铜线。铜线具有电阻率，全频率信号传导性平衡、易加工、导电性和稳定性好的优势。
13.进一步地，所述弹性主体包括弹性底层和覆盖于弹性底层的弹性顶层，所述弹性底层靠近弹性顶层的一侧设有用于储放液态金属主体的皮亚诺曲线槽，所述液态金属主体填充于所述皮亚诺曲线槽内，所述导线插设于弹性顶层。为了确保液态金属主体在在弹性主体内的形状与位置，弹性主体由被设计好形状和大小的两部分组合而成，并且将皮亚诺曲线槽设置在弹性底层靠近弹性顶层的一侧，弹性顶层覆盖在弹性底层上方用于保护填充在皮亚诺曲线槽内的液态金属主体的形状的密封性，结构简单便于制备。
14.进一步地，所述弹性底层的厚度大于所述弹性顶层的厚度。由于弹性底层设有皮亚诺曲线槽，需要一定的厚度保护皮亚诺曲线槽的形状，还可以保证弹性底层在拉伸过程中弹性形变的稳定性，而弹性顶层不设有皮亚诺曲线槽主要起到密封的效果，所以设置弹性底层的厚度大于弹性顶层的厚度。
15.进一步地，所述弹性底层和弹性顶层之间设有半固化的硅橡胶薄膜。为了弹性顶层与弹性底层之间的密封与稳定贴合，利用与弹性主体的同组分结构的半固化的硅橡胶薄膜置于弹性顶层与弹性底层相互贴合的一侧，由于硅橡胶薄膜的化学性质和物理性质与弹性主体一致，不会对弹性主体的性能造成影响，并且半固化的硅橡胶薄膜可以起到良好的粘合作用，保证弹性顶层与弹性底层贴合的稳定性。
16.进一步地，所述皮亚诺曲线槽的截面为矩形。矩形的截面不仅便于液态金属主体在皮亚诺曲线槽内进行各向的拉伸，并且便于加工。
17.本发明还提供了一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的制备方法，包括：
18.s1：通过软光刻技术制作弹性底层和弹性顶层的模具；
19.s2：将未固化的液体硅橡胶分别倒入弹性底层和弹性顶层的模具中，并加热完全固化硅橡胶获得固态硅橡胶材质的弹性底层和弹性顶层；
20.s3：在弹性底层和弹性顶层相互贴合的一侧均匀涂抹液体硅橡胶，在室温下放置形成半固化的硅橡胶薄膜后，将弹性底层和弹性顶层粘合组成弹性主体；
21.s4：利用两个注射器配合完成液态金属主体的注入，一个注射器插入弹性主体从皮亚诺曲线槽的一端注入液态金属主体，同时另一个注射器插入弹性主体从皮亚诺曲线槽的另一端抽出槽中的空气直至液态金属主体充满皮亚诺曲线槽；
22.s5：将两根导线分别插入弹性顶层至皮亚诺曲线槽的两端与液态金属主体连接，
导线的另一端伸出弹性顶层表面。
23.本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的制备方法，利用软光刻技术制作弹性底层和弹性顶层的模具保证弹性主体的模型精度，有效助于构造出复杂的皮亚诺曲线；硅橡胶一般为液态，为了对其塑型，采用加热的方式进行完全固化，或放置在室温下会形成高粘性的凝胶；本发明利用了硅橡胶的特殊性质制作出了弹性主体以及保证了弹性主体的密封性和贴合稳定性，具有巨大的实用价值和开发前景。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的皮亚诺曲线状的液态金属主体无论在横向或是纵向在拉伸时，从最外围图案开始变形，次外层不变形，随着拉伸量的增大图案变形逐渐由外向内，电阻的稳定增大得益于图案整体的稳定形变，不会出现液态金属主体的局部过度形变而导致液态金属主体分段，皮亚诺曲线状的液态金属主体赋予了传感器卓越的各向同性拉伸属性。
26.本发明通过对液态金属的皮亚诺曲线塑性结构设计，改变液态金属传感器的压力和应变再分配机制提高其信号稳定性，从而提高液态金属传感器检测较小压力和应变的能力。
27.本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器最大拉伸量达到500％，与直通型液态金属传感器相比拉伸性提高2.5倍。
28.本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器在100kpa的压力下gf达到75，应变灵敏度约是直通型液态金属传感器的3倍，使本发明受到压缩时，在相同的接触面下，该传感器发生的形变量更大，对于压力更加敏感。
29.本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的制备方法利用了硅橡胶的特殊性质制作出了弹性主体以及保证了弹性主体的密封性和贴合稳定性，具有巨大的实用价值和广泛的应用前景。
附图说明
30.图1为一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的结构示意图；
31.图2为直通型液态金属应变传感器的结构示意图；
32.图3为一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的横向拉伸与纵向拉伸的δr/r
0-strain曲线图；
33.图4为本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器与直通型液态金属传感器的δr/r
0-strain曲线图；
34.图5为直通型液态金属传感器纵向拉伸的电阻变化率曲线图；
35.图6为一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的δr/r
0-pressure曲线图；
36.图7为一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的分解示意图。
37.附图中：100、弹性主体；110、弹性底层；111、皮亚诺曲线槽；120、弹性顶层；200、液态金属主体；300、导线。
具体实施方式
38.下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，
表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
39.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
40.实施例一
41.如图1至图6所示为本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的第一实施例。
42.一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器，包括弹性主体100、设置在弹性主体100内的液态金属主体200以及分别连接于液态金属主体200两端且伸出弹性主体100表面的导线300，液态金属主体200在弹性主体100内呈皮亚诺曲线状。弹性主体100作为液态金属主体200的形变载体用于接受外力对其的拉伸，达到对设置在弹性主体100内的液态金属主体200拉伸形变的效果，液态金属主体200受拉应力时通道长度增加并且横截面缩小，从而电阻增大，通过电阻的变化感知应变大小，分别连接于液态金属主体200两端且伸出弹性主体100表面的导线300用于外接检测设备读取液态金属主体200的电阻变化大小，感知应变程度；皮亚诺曲线状的液态金属主体200无论在横向或是纵向在拉伸时，从最外围图案开始变形，次外层不变形，随着拉伸量的增大图案变形逐渐由外向内，电阻的稳定增大得益于图案整体的稳定形变，不会出现液态金属主体200的局部过度形变而导致液态金属主体200分段，因此皮亚诺曲线状的液态金属主体200赋予了传感器卓越的各向同性拉伸属性，解决了现有技术中液态金属主体200的拉伸各向异性的技术问题。
43.其中，液态金属主体200所呈的皮亚诺曲线转角处皆为圆弧线。将液态金属主体200所呈的皮亚诺曲线转角处设置为圆弧线，有利于提升液态金属主体200拉伸的延展性和分散弹性主体100传递的形变，并提高整体图案均匀形变的协调性，避免液态金属由于局部形变过大断裂而导致电阻变化率过大。
44.其中，如图3所示，横坐标strain为本实施例的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的弹性主体100的应变率，纵坐标δr/r0为本实施例的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器液态金属主体200的电阻变化率，黑色曲线为横向拉伸方向，红色曲线为纵向拉伸方向；由图可得，黑色曲线与红色曲线重合，应变率由0％至120％的横向与纵向拉伸过程中，液态金属主体200的电阻变化率相同，证实本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器各向同性。
45.此外，如图2所示为直通型液态金属应变传感器的结构示意图，并且由图4至图5所示，黑色曲线为直通型液态金属应变传感器的电阻变化曲线，可得直通型液态金属传感器在受到横向拉伸时电阻变化率为正，受到纵向拉伸时电阻变化率为负，存在各向异性的技术问题。
46.此外，如图4所示，黑色曲线为直通型液态金属应变传感器的电阻变化曲线，红色
曲线为本实施例的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的电阻变化曲线，可得本实施例的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器最大拉伸量达到500％，与直通型液态金属传感器相比拉伸性提高2.5倍；并且，在不断施加应变的条件下，直通型液态金属传感器在受到200％左右的应变时就检测不到电阻，本发明在受到500％左右的应变时检测不到电阻，与直通型液态金属传感器相比拉伸性提高2.5倍，有效提高了液态金属传感器的拉伸性能，适用于检测应变较大的使用场景。
47.此外，如图6所示，黑色曲线为直通型液态金属应变传感器的电阻变化曲线，红色曲线为本实施例的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的电阻变化曲线，可得本实施例的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器在100kpa的压力下gf(gauge factor，代表应变灵敏度的系数，为电阻变化与压力曲线的斜率)达到75，而直通型液态金属传感器在100kpa的压力下gf约为25，皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的应变灵敏度约是直通型液态金属传感器的3倍，使本发明受到压缩时，在相同的接触面下，该传感器发生的形变量更大，对于压力更加敏感。
48.实施例二
49.如图1所示为本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的第二实施例。
50.本实施例与实施例一类似，不同之处在于：弹性主体100由完全固化的固态硅橡胶构成。固态硅橡胶的弹性模量接近人体皮肤，并且具有拉伸延展性好、吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定以及机械强度高的特点，可很好地应用于人体的智能穿戴设备。
51.其中，弹性主体100的截面为矩形。矩形的截面不仅便于弹性主体100进行各向的拉伸，并且便于加工。
52.其中，导线300为铜线。铜线具有电阻率，全频率信号传导性平衡、易加工、导电性和稳定性好的优势。
53.实施例三
54.如图7所示为本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的第三实施例。
55.本实施例与实施例一或实施例二类似，不同之处在于：弹性主体100包括弹性底层110和覆盖于弹性底层110的弹性顶层120，弹性底层110靠近弹性顶层120的一侧设有用于储放液态金属主体200的皮亚诺曲线槽111，液态金属主体200填充于皮亚诺曲线槽111内，导线300插设于弹性顶层120。为了确保液态金属主体200在在弹性主体100内的形状与位置，弹性主体100由被设计好形状和大小的两部分组合而成，并且将皮亚诺曲线槽111设置在弹性底层110靠近弹性顶层120的一侧，弹性顶层120覆盖在弹性底层110上方用于保护填充在皮亚诺曲线槽111内的液态金属主体200的形状的密封性，结构简单便于制备。
56.其中，弹性底层110的厚度大于弹性顶层120的厚度。由于弹性底层110设有皮亚诺曲线槽111，需要一定的厚度保护皮亚诺曲线槽111的形状，还可以保证弹性底层110在拉伸过程中弹性形变的稳定性，而弹性顶层120不设有皮亚诺曲线槽111主要起到密封的效果，所以设置弹性底层110的厚度大于弹性顶层120的厚度。
57.其中，弹性底层110和弹性顶层120之间设有半固化的硅橡胶薄膜。为了弹性顶层120与弹性底层110之间的密封与稳定贴合，利用与弹性主体100的同组分结构的半固化的硅橡胶薄膜置于弹性顶层120与弹性底层110相互贴合的一侧，由于硅橡胶薄膜的化学性质和物理性质与弹性主体100一致，不会对弹性主体100的性能造成影响，并且半固化的硅橡
胶薄膜可以起到良好的粘合作用，保证弹性顶层120与弹性底层110贴合的稳定性。
58.其中，皮亚诺曲线槽111的截面为矩形。矩形的截面不仅便于液态金属主体200在皮亚诺曲线槽111内进行各向的拉伸，并且便于加工。
59.实施例四
60.本实施例为一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的制备方法的实施例。
61.本实施例与实施例一至实施例三任一实施例类似，不同之处在于：还提供了一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的制备方法，包括：
62.s1：通过软光刻技术制作弹性底层110和弹性顶层120的模具；
63.s2：将未固化的液体硅橡胶分别倒入弹性底层110和弹性顶层120的模具中，并加热完全固化硅橡胶获得固态硅橡胶材质的弹性底层110和弹性顶层120；
64.s3：在弹性底层110和弹性顶层120相互贴合的一侧均匀涂抹液体硅橡胶，在室温下放置形成半固化的硅橡胶薄膜后，将弹性底层110和弹性顶层120粘合组成弹性主体100；
65.s4：利用两个注射器配合完成液态金属主体200的注入，一个注射器插入弹性主体100从皮亚诺曲线槽111的一端注入液态金属主体200，同时另一个注射器插入弹性主体100从皮亚诺曲线槽111的另一端抽出槽中的空气直至液态金属主体200充满皮亚诺曲线槽111；
66.s5：将两根导线300分别插入弹性顶层120至皮亚诺曲线槽111的两端与液态金属主体200连接，导线300的另一端伸出弹性顶层120表面。
67.本发明的一种皮亚诺曲线型液态金属应变传感器的制备方法，利用软光刻技术制作弹性底层110和弹性顶层120的模具，有效助于构造出复杂的皮亚诺曲线，保证弹性主体100的模型精度；硅橡胶一般为液态，为了对其塑型，采用加热的方式进行完全固化成为固态，或放置在室温下会形成高粘性的凝胶；本发明利用了硅橡胶的特殊性质制作出了弹性主体100以及保证了弹性主体100的密封性和贴合稳定性，具有巨大的实用价值和开发前景。
68.在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
69.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。