CN109839232B - 应变传感器及其形成方法、应变传感器阵列及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种应变传感器及其形成方法、一种应变传感器阵列及其形成方法，其中应变传感器包括：弹性衬底；位于部分弹性衬底表面的敏感薄膜；位于所述弹性衬底表面与所述敏感薄膜两端分别连接的电极；所述电极与弹性衬底之间形成有塑化层。所述应变传感器的性能提高。
Description
技术领域
本发明涉及应变传感器技术领域，尤其涉及一种应变传感器及其形成方法、应变传感器阵列及其形成方法。
背景技术
随着柔性电子学发展，柔性传感技术已经发展成为一项令人瞩目的高新智能交互技术。柔性应变传感器对实现柔性接触界面、曲面和不规则柔性接触界面之间的接触交互作用力的感测，以及动态分布信息感测具有重要作用，在包括人工电子皮肤、柔性触屏、智能家居、智能机器人及医疗健康领域具有非常广阔的市场应用前景。
应变传感器在三维空间应变测量(CN201520704420.8)，可穿戴设备(CN201580056298.0)，车辆超载检测(CN201621311300.2)，安全驾驶(CN201711364282.3)等领域已有一些报道，但单个应变传感器检测范围有限，要实现大面积柔性曲面的应变检测以及智能交互需要制作柔性应变传感器阵列。如专利CN201710965252.1和专利CN201610860811.8报道了基于石墨烯和碳纳米管的柔性应变传感器阵列，其在可穿戴设备领域具有可观的应用前景。目前，柔性应变传感器阵列研究较少，其加工工艺复杂，集成度不高，特别是传感器阵列的连接可靠性离商业化应用还有一定距离。
因此，针对目前柔性应变传感器存在的技术瓶颈，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种应变传感器及其形成方法、应变传感阵列及其形成方法，提高传感器连接的可靠性和应变传感阵列的集成度，实现大面积曲面的应变检测以及智能交互。
为了解决上述问题，本发明提供了一种应变传感器，包括：弹性衬底；位于部分弹性衬底表面的敏感薄膜；位于所述弹性衬底表面与所述敏感薄膜两端分别连接的电极；所述电极与弹性衬底之间形成有塑化层。
可选的，还包括：应力缓冲层，所述应力缓冲层覆盖所述电极与敏感薄膜的连接边界处；弹性保护层，所述弹性保护层覆盖所述敏感薄膜、所述弹性衬底和所述应力缓冲层。
可选的，所述弹性衬底和弹性保护层材料包括聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或铂催化硅胶中的至少一种。
可选的，所述塑化层为具有粘结剂的柔性胶带或无粘结剂的薄膜，所述胶带基材包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯、聚乙烯以及聚丙烯中的至少一种，所述薄膜包括聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚醚醚酮以及聚对苯二甲酸乙二酯中的至少一种。
可选的，所述电极包括热固化或光固化导电胶、导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属纳米颗粒以及金属氧化物纳米颗粒中的至少一种；其中，所述热固化导电胶类导电胶包括环氧树脂导电胶、有机硅树脂导电胶、聚酰亚胺树脂导电胶、酚醛树脂导电胶、聚氨酯导电胶以及丙烯酸树脂导电胶中的至少一种，所述光固化导电胶类导电胶包括环氧丙烯酸酯导电胶、聚氨酯丙烯酸酯导电胶、聚酯丙烯酸酯导电胶、聚醚丙烯酸酯导电胶、丙烯酸树脂导电胶以及不饱和酯导电胶中的至少一种，所述导电聚合物包括pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯中的至少一种，所述碳基导电物包括单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管中的至少一种，所述金属包括金、银、铜、铝或镍中的至少一种，所述金属氧化物包括氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物中的至少一种。
可选的，所述敏感薄膜为曲线形或长方形，所述敏感薄膜中的敏感材料均匀分布或是聚集形成连续网络结构。
可选的，所述敏感薄膜材料包括金属纳米线、导电聚合物、碳基导电物、金属纳米颗粒或者金属氧化物纳米颗粒中的一种或至少两种共混；所述导电聚合物包括pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯中的至少一种；所述碳基导电物包括单层或多层石墨烯、单壁或多壁碳纳米管中的至少一种，所述金属包括金、银、铜、铝以及镍中的至少一种，所述金属氧化物包括氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物中的至少一种。
可选的，所述应力缓冲层为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或铂催化硅胶中的至少一种与导电材料的共混，所述导电材料包括热固化或光固化导电胶、导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属纳米颗粒以及金属氧化物纳米颗粒中的至少一种；其中，所述热固化导电胶类导电胶包括环氧树脂导电胶、有机硅树脂导电胶、聚酰亚胺树脂导电胶、酚醛树脂导电胶、聚氨酯导电胶以及丙烯酸树脂导电胶中的至少一种，所述光固化导电胶类导电胶包括环氧丙烯酸酯导电胶、聚氨酯丙烯酸酯导电胶、聚酯丙烯酸酯导电胶、聚醚丙烯酸酯导电胶、丙烯酸树脂导电胶以及不饱和酯导电胶中的至少一种，所述导电聚合物包括pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯中的至少一种，所述碳基导电物包括单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管中的至少一种，所述金属包括金、银、铜、铝或镍中的至少一种，所述金属氧化物包括氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物中的至少一种。
本发明的技术方案还提供一种应变传感器的制备方法，包括：提供弹性衬底；在所述衬底表面两侧形成塑化层；在所述塑化层表面形成电极；在所述电极和弹性衬底形成敏感薄膜；在所述电极和敏感薄膜的边界覆盖应力缓冲层；在所述敏感薄膜和应力缓冲层表面形成弹性保护层。
本发明的技术方案还提供一种应变传感阵列，包括：电极引线和多个上述应变传感器，所述应变传感器按阵列排列为至少一层；同一层内的各应变传感器的一端电极相互连接并引出，另一端分别通过引线引出。
可选的，同一层内的各应变传感器的弹性衬底均为一弹性衬底层的一部分；同一层内的各应变传感器的塑化层均为一图形化塑化层的一部分；所述图形化塑化层具有阵列排列的镂空图形，各应变传感器的敏感薄膜分别位于各镂空图形处。
可选的，同一层内各应变传感器的延伸方向一致，所述应变传感器的延伸方向为两侧电极连线的方向。
可选的，多个所述应变传感器按阵列排列为上下两层，各层内应变传感器的数量和像素尺寸相同；上下两层内相同像素位置处，应变传感器中心位置在纵向上重叠，且应变传感器的延伸方向呈90°交叉。
本发明的技术方案还提供一种应变传感阵列的形成方法，包括：至少形成一层阵列排列的多个应变传感器，所述多个应变传感器的形成方法包括：提供一弹性衬底层；在所述弹性衬底层表面形成图形化塑化层，所述所述图形化塑化层具有阵列排列的镂空图形；在所述图形化塑化层表面形成连接所述电极的引线；在所述电极和弹性衬底表面形成位于镂空图形处的图形化敏感薄膜，所述敏感薄膜两端分别连接的电极，连接敏感薄膜一端的电极相互连接至同一引线，另一端分别连接至不同的引线；在所述电极和敏感薄膜的边界覆盖应力缓冲层。
可选的，所述弹性衬底制备在具有剥离层的刚性层上，所述剥离层包括聚四氟乙烯、全氟(1-丁烯基乙烯基醚)聚合物、三氯硅烷、全氟辛基三氯硅烷、全氟已基三氯硅烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚萘二甲酸乙二醇酯以及聚酰亚胺中的至少一种。
可选的，所述图形化塑化层具有粘结剂或无粘结剂；在所述弹性衬底层表面形成图形化塑化层的方法包括：对具有粘结剂的图形化塑化层表面进行等离子处理后，贴合至经等离子处理处且完全固化的弹性衬底表面；或者对无粘结剂的图形化塑化层表面进行等离子处理后，贴合到未固化的弹性衬底表面后再加热固化所述弹性衬底。
可选的，所述应力缓冲层的形成方法包括：将用于制备应力缓冲层的混合材料通过点胶工艺覆盖到所述电极和敏感薄膜的边界或是在具有柔性掩模板的弹性衬底表面通过刮涂的方式覆盖到电极和敏感薄膜的边界；通过加热固化方式或是先光固化后加热的方式对所述混合材料进行处理以形成应力缓冲层。
可选的，形成两层阵列排列的多个应变传感器；将所述两层阵列排列的多个应变传感器相对纵向叠置，相同像素位置处，应变传感器中心位置在纵向上重叠，且应变传感器的延伸方向呈90°交叉。
可选的，对其中一层阵列排列的应变传感器表面进行氧等离子体处理，在另一层阵列排列的应变传感器表面涂布一层弹性保护膜；所述两层阵列排列的应变传感器阵列的经处理的表面进行贴合，采用抽真空排气泡，然后加热退火固化，形成所述应变传感器阵列。
本发明的应变传感器、应变传感阵列的电极和应变传感阵列的引线下方布置有塑化层，使传感器和阵列受到应力作用时，电极和引线的电阻保持不变，不影响传感器的读出结果。
进一步的，应变传感器的电极和敏感膜的边界处覆盖有应力缓冲层，释放电极和敏感膜的边界相对过大的应力，使敏感膜和电极具有可靠的连接，提高了传感器和传感阵列的稳定性以及使用寿命；采用氧等离子体等工艺提高塑化层与弹性衬底粘结可靠性；采用大面积的成膜工艺制备传感器和传感阵列，具有加工速度快和低成本的优势。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式的应变传感器的结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式的应变传感器的形成流程示意图；
图3至图8为本发明一具体实施方式的压力传感器的形成过程的结构示意图；
图9为本发明一具体实施方式的应变传感阵列的结构示意图；
图10为本发明一具体实施方式的应变传感阵列的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的应变传感器、应变传感器阵列及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
请参考图1，为本发明一具体实施方式提供的应变传感器的结构示意图。
所述应变传感器包括：弹性衬底100；位于部分弹性衬底100表面的敏感薄膜103；位于所述弹性衬底100表面与所述敏感薄膜103两端分别连接的电极102；所述电极102与弹性衬底100之间形成有塑化层101。
所述弹性衬底100的材料可以为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或铂催化硅胶中的至少一种，易于形变，从而易于感受外界应力变化。
上述弹性衬底100表面两侧具有塑化层101，所述塑化层101为具有粘结剂的柔性胶带或无粘结剂的薄膜，所述胶带的基材包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯、聚乙烯以及聚丙烯中的至少一种，所述薄膜包括聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚醚醚酮以及聚对苯二甲酸乙二酯中的至少一种。
所述塑化层101在器件应变时能够降低所述塑化层101所覆盖区域的形变，保护其上的电极102，使其电阻不发生变化。
所述电极102为热固化或光固化导电胶、导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属纳米颗粒和金属氧化物纳米颗粒等导电材料中的至少一种。其中，所述热固化导电胶类导电胶包括环氧树脂导电胶、有机硅树脂导电胶、聚酰亚胺树脂导电胶、酚醛树脂导电胶、聚氨酯导电胶、丙烯酸树脂导电胶中的至少一种，所述光固化导电胶类导电胶包括环氧丙烯酸酯导电胶、聚氨酯丙烯酸酯导电胶、聚酯丙烯酸酯导电胶、聚醚丙烯酸酯导电胶、丙烯酸树脂导电胶、不饱和酯导电胶中的至少一种，所述导电聚合物可以为pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯中的至少一种，所述碳基导电物可以为单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管中的至少一种，所述金属可以为金、银、铜、铝或镍中的至少一种，所述金属氧化物可以为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物中的至少一种。
所述电极102用于连接敏感薄膜103，以及连接引出导线。
所述敏感薄膜103包括属纳米线、导电聚合物、碳基导电物、金属或者金属氧化物纳米颗粒中的至少一种。所述导电聚合物可以为pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯的至少一种，所述碳基导电物可以为单层或多层石墨烯、单壁或多壁碳纳米管的至少一种，所述金属可以为金、银、铜、铝或镍的至少一种，所述金属氧化物可以为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物的至少一种。所述为敏感薄膜为曲线形或是长方形，所述敏感膜薄膜中材料均匀分布或是聚集形成连续网络结构。
该具体实施方式中，所述电极102和敏感薄膜103边界上覆盖有应力缓冲层104，用于释放电极102和敏感薄膜103边界的应力，增强器件应变时电极102和敏感薄膜103之间的电学连接。
所述应力缓冲层104的材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或铂催化硅胶中的至少一种与导电材料的共混，所述导电材料包括热固化或光固化导电胶、导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属纳米颗粒和金属氧化物纳米颗粒等导电材料中的至少一种。其中，所述热固化导电胶类导电胶包括环氧树脂导电胶、有机硅树脂导电胶、聚酰亚胺树脂导电胶、酚醛树脂导电胶、聚氨酯导电胶以及丙烯酸树脂导电胶中的至少一种，所述光固化导电胶类导电胶包括环氧丙烯酸酯导电胶、聚氨酯丙烯酸酯导电胶、聚酯丙烯酸酯导电胶、聚醚丙烯酸酯导电胶、丙烯酸树脂导电胶、不饱和酯导电胶，所述导电聚合物可以为pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯中的至少一种，所述碳基导电物可以为单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁以及多壁碳纳米管中的至少一种，所述金属可以为金、银、铜、铝或镍中的至少一种，所述金属氧化物可以为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物等。
请参考图2，为本发明一具体实施方式的应变传感器的形成过程的流程示意图，包括步骤S201～S204。
步骤S201：提供弹性衬底402(请参考图3)，所述弹性衬底402形成于刚性层400上的剥离层401表面。
所述刚性层400可以为表面平整的玻璃，还可以是有机玻璃层等具有一定刚性的材料层，用于作为形成应变传感器的承载底板。所述剥离层401的材料包括聚四氟乙烯、全氟(1-丁烯基乙烯基醚)聚合物、三氯硅烷、全氟辛基三氯硅烷、全氟已基三氯硅烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚萘二甲酸乙二醇酯以及聚酰亚胺中的至少一种。所述弹性衬底402材料包括聚二甲基硅氧烷、聚氨酯以及铂催化硅胶中的至少一种。
步骤S202：在弹性衬底402上制备塑化层403和电极404(请参考图4)，所述电极404位于塑化层403之上。
所述塑化层403为具有粘结剂的柔性胶带或无粘结剂的薄膜，所述胶带的基材包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯，所述薄膜包括聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚醚醚酮以及聚对苯二甲酸乙二酯中的至少一种。将所述用于形成塑化层403的薄膜胶带或薄膜切割形成图形化。在一个具体实施方式中，用于形成塑化层403的胶带具有粘结剂表面，对所述粘结剂表面进行等离子处理后，贴合已完全固化且经等离子处理的弹性衬底402表面，以提高所述塑化层403与所述弹性衬底402之间的粘结可靠性。在其他具体实施方式中，将用于形成塑化层403的无粘结剂的薄膜表面进行等离子处理后贴合到未固化的弹性衬底402表面后再进行加热固化所述弹性衬底402。
所述电极404为热固化或光固化导电胶、导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属和金属氧化物纳米颗粒等导电材料中的至少一种。其中，所述热固化导电胶类导电胶包括环氧树脂导电胶、有机硅树脂导电胶、聚酰亚胺树脂导电胶、酚醛树脂导电胶、聚氨酯导电胶、丙烯酸树脂导电胶中的至少一种，所述光固化导电胶类导电胶包括环氧丙烯酸酯导电胶、聚氨酯丙烯酸酯导电胶、聚酯丙烯酸酯导电胶、聚醚丙烯酸酯导电胶、丙烯酸树脂导电胶、不饱和酯导电胶中的至少一种，所述导电聚合物可以为pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯中的至少一种，所述碳基导电物可以为单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管中的至少一种，所述金属可以为金、银、铜、铝或镍中的至少一种，所述金属氧化物可以为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物中的至少一种。所述电极通过采用真空蒸镀、磁控溅射、光刻、喷墨打印、点胶、丝网印刷或凹版印刷的方式形成。
步骤S203：在弹性衬底402和电极404表面制备敏感薄膜405(请参考图5)。
所述敏感薄膜405包括属纳米线、导电聚合物、碳基导电物、金属或者金属氧化物纳米颗粒中的至少一种。所述导电聚合物可以为pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯的至少一种，所述碳基导电物可以为单层或多层石墨烯、单壁或多壁碳纳米管的至少一种，所述金属可以为金、银、铜、铝或镍的至少一种，所述金属氧化物可以为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物的至少一种。所述为敏感薄膜为曲线形或是长方形，所述敏感膜薄膜中材料均匀分布或是聚集形成连续网络结构。所述敏感层采用真空蒸镀、磁控溅射、光刻、喷墨打印、点胶、丝网印刷或凹版印刷的方式形成。
步骤S204：在电极404和敏感薄膜405边界上覆盖应力缓冲层406(请参考图6)。
所述应力缓冲层406的材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或铂催化硅胶中的至少一种与导电材料的共混，所述导电材料包括热固化或光固化导电胶、导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属和金属氧化物纳米颗粒等导电材料。其中，所述热固化导电胶类导电胶包括环氧树脂导电胶、有机硅树脂导电胶、聚酰亚胺树脂导电胶、酚醛树脂导电胶、聚氨酯导电胶、丙烯酸树脂导电胶，所述光固化导电胶类导电胶包括环氧丙烯酸酯导电胶、聚氨酯丙烯酸酯导电胶、聚酯丙烯酸酯导电胶、聚醚丙烯酸酯导电胶、丙烯酸树脂导电胶、不饱和酯导电胶，所述导电聚合物可以为pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯，所述碳基导电物可以为单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管等，所述金属可以为金、银、铜、铝或镍，所述金属氧化物可以为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物等。所述应力缓冲层通过点胶或是刮涂方法制备。
步骤S205：在敏感薄膜405和应力缓冲层406表面形成弹性保护层407(请参考图7)。
所述弹性保护层407的材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或铂催化硅胶中的至少一种。所述弹性保护层407采用刮涂的方式制备，覆盖整个应变传感器表面。
请参考图8，所述弹性保护层407制备完成后，将应变传感器从刚性层400上直接剥离。
本发明的具体实施方式还提供一种包括多个上述应变传感器的传感阵列。
请参考图9，为本发明一具体实施方式的传感阵列的结构示意图。
所述传感阵列包括多个如上述具体实施方式中所述的应变传感器900，所述多个应变传感器900在同一层内按阵列排列，各应变传感器900的一端电极9001相互连接并引出，另一端电极9002分别通过不同的引线引出。
同一层内的各应变传感器900的弹性衬底均为一弹性衬底层的一部分；同一层内的各应变传感器900的塑化层均为一图形化塑化层901的一部分；所述图形化塑化层901具有阵列排列的镂空图形9011，各应变传感器900的敏感薄膜分别位于各镂空图形9011处。
同一层内各应变传感器900的延伸方向一致，所述应变传感器900的延伸方向为两侧电极连线的方向。
请参考图10，为本发明另一具体实施方式的应变传感阵列的结构示意图。
多个所述应变传感器按阵列排列为上下两层，各层内应变传感器的数量和像素尺寸相同；上下两层内相同像素位置处，应变传感器中心位置在纵向上重叠，且应变传感器的延伸方向呈90°交叉，以便更好的检测多个位置的不同方向上的形变。
在其他具体实施方式中，所述应变传感阵列，还可以包括三层或更多层阵列排列的应变传感器，上下两层内相同像素位置处，应变传感器中心位置在纵向上重叠。
本发明的具体实施方式还提供一种上述应变传感阵列的形成方法，包括：至少形成一层阵列排列的多个应变传感器，其形成方法包括：提供一弹性衬底，在所述弹性衬底表面形成图形化塑化层，所述图形化塑化层具有阵列排列的镂空图形；在所述图形化塑化层表面形成电极和连接所述电极的引线，在所述电极和弹性衬底表面形成位于镂空图形处的图形化敏感薄膜，所述敏感薄膜两端分别连接的电极，连接敏感薄膜一端的电极相互连接至同一引线，另一端分别连接至不同的引线；在所述电极和敏感薄膜的边界覆盖应力缓冲层。
所述弹性衬底制备在具有剥离层的刚性层上，所述剥离层包括聚四氟乙烯、全氟(1-丁烯基乙烯基醚)聚合物、三氯硅烷、全氟辛基三氯硅烷、全氟已基三氯硅烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚萘二甲酸乙二醇酯以及聚酰亚胺中的至少一种。
在所述弹性衬底表面形成图形化塑化层的形成方法包括：对所述具有粘结剂的图形化塑化层表面进行等离子处理后，贴合至经等离子处理处且完全固化的弹性衬底表面；或者对所述无粘结剂的图形化塑化层表面进行等离子处理后，贴合到未固化的弹性衬底表面后再加热固化所述弹性衬底。
所述应力缓冲层的形成方法包括：将用于制备应力缓冲层的混合材料通过点胶工艺覆盖到所述电极和敏感薄膜的边界或是在具有柔性掩模板的弹性衬底表面通过刮涂的方式覆盖到电极和敏感薄膜的边界；通过加热固化方式或是先光固化后加热的方式对所述混合材料进行处理以形成应力缓冲层。
本发明的一个具体实施方式的应变传感阵列的形成方法中，形成两层阵列排列的多个应变传感器；将所述两层阵列排列的多个应变传感器相对纵向叠置，相同像素位置处，应变传感器中心位置在纵向上重叠，且应变传感器的延伸方向呈90°交叉。
还可以对其中一层阵列排列的应变传感器表面进行氧等离子体处理，在另一层阵列排列的应变传感器表面涂布一层弹性保护膜；或者在所述两层阵列排列的应变传感器表面均涂布弹性保护膜；所述两层阵列排列的应变传感器阵列的经处理的表面进行贴合，采用抽真空排气泡，然后加热退火固化，形成所述应变传感器阵列。所述弹性保护膜作为两层阵列排列的应变传感器之间的隔离层及保护层，同时提高上下层之间的粘附性。
在其他具体实施方式中，还可以将三层或更多层阵列排列的应变传感器纵向上重叠，上下两层内相同像素位置处，应变传感器中心位置在纵向上重叠。
以下为形成传感器阵列的几个实施例。
实施例1
通过下列具体步骤完成所述应变传感器：
(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对玻璃底板进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
(2)在玻璃底板上刮涂聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，再通过加热烘干形成剥离层；
(3)称取聚二甲基硅氧烷材料(预聚体和固化剂的质量比为10：1)，混合均匀后在剥离层上刮涂混合材料，通过加热的方式固化形成聚二甲基硅氧烷弹性衬底；
(4)将聚酰亚胺胶带的胶粘剂表面和聚二甲基硅氧烷弹性衬底表面采用氧等离子体处理，将聚酰亚胺胶带贴合到聚二甲基硅氧烷弹性衬底两侧，形成塑化层；
(5)在聚酰亚胺胶带表面采用点胶的方式制备银电极；
(6)采用喷涂的方式在银电极和聚二甲基硅氧烷弹性衬底表面制备纳米银线敏感薄膜；
(7)称取聚二甲基硅氧烷材料(预聚体和固化剂的质量比为10：1)，按与聚二甲基硅氧烷材料的质量比5:1称取炭黑并均匀混合到聚二甲基硅氧烷材料中，采用点胶的方式在银电极和纳米银线薄膜的边界处制备应力缓冲层；
(8)采用刮涂的方式在应力缓冲层和敏感薄膜表面制备聚二甲基硅氧烷保护层；
(9)将应变传感器从聚乙烯吡咯烷酮剥离层表面剥离。
实施例2
通过下列具体步骤完成所述应变传感器：
(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对玻璃底板进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
(2)在玻璃底板上刮涂聚酰亚胺溶液，再通过加热烘干形成剥离层；
(3)称取铂催化硅胶材料(组分A和组分B的质量比为1:1)，混合均匀后在剥离层上刮涂混合材料，通过加热的方式固化形成铂催化硅胶弹性衬底；
(4)将聚酰亚胺胶带的胶粘剂表面和铂催化硅胶表面采用氧等离子体处理，将聚酰亚胺胶带贴合到铂催化硅胶衬底两侧，形成塑化层；
(5)在聚酰亚胺胶带表面采用刮涂的方式制备环氧树脂导电胶电极，并通过加热固化；
(6)采用喷涂的方式在环氧树脂导电胶电极和铂催化硅胶弹性衬底表面制备多壁碳纳米管敏感薄膜；
(7)称取聚二甲基硅氧烷材料(预聚体和固化剂的质量比为10：1)，按与聚二甲基硅氧烷材料的质量比4:1称取炭黑并均匀混合到聚二甲基硅氧烷材料中，采用刮涂的方式在环氧树脂导电胶电极和多壁碳纳米管薄膜的边界处制备应力缓冲层；
(8)采用刮涂的方式在应力缓冲层和敏感薄膜表面制备铂催化硅胶保护层；
(9)将应变传感器从聚酰亚胺剥离层表面剥离。
实施例3
通过下列具体步骤完成所述应变传感器：
(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对玻璃底板进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
(2)在玻璃底板上刮涂聚四氟乙烯溶液，再通过加热烘干形成剥离层；
(3)称聚二甲基硅氧烷材料(预聚体和固化剂的质量比为10：1)，混合均匀后在聚四氟乙烯剥离层表面刮涂混合材料；
(4)将聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜表面采用氧等离子体处理，并贴合到聚二甲基硅氧烷的两侧，形成塑化层；采用抽真空的方式除去薄膜和聚二甲基硅氧烷之间的气泡，通过加热的方式固化聚二甲基硅氧烷弹性衬底；
(5)在聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜表面采用点胶的方式制备丙烯酸树脂导电胶电极，并通过光固化；
(6)采用喷涂的方式在丙烯酸树脂导电胶电极和聚二甲基硅氧烷弹性衬底表面制备石墨烯敏感薄膜；
(7)称取聚二甲基硅氧烷材料(预聚体和固化剂的质量比为10:1)，按与聚二甲基硅氧烷材料的质量比10:1称取炭黑并均匀混合到聚二甲基硅氧烷材料中，采用刮涂的方式在丙烯酸树脂导电胶电极和石墨烯薄膜的边界处制备应力缓冲层；
(8)采用刮涂的方式在应力缓冲层和敏感薄膜表面制备聚二甲基硅氧烷保护层；
(9)将应变传感器从聚四氟乙烯剥离层表面剥离。
实施例4
通过下列具体步骤完成所述应变传感阵列：
(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对玻璃底板进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
(2)在玻璃底板上刮涂聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，再通过加热烘干形成剥离层；
(3)称聚二甲基硅氧烷材料(预聚体和固化剂的质量比为10：1)，混合均匀后在聚四氟乙烯剥离层表面刮涂混合材料；
(4)将聚酰亚胺薄膜进行剪切，使需要制备应变传感器的位置镂空，薄膜表面采用氧等离子体处理，并贴合到聚二甲基硅氧烷材料表面，形成塑化层；采用抽真空的方式除去薄膜和聚二甲基硅氧烷之间的气泡，通过加热的方式固化聚二甲基硅氧烷弹性衬底；
(5)在聚酰亚胺薄膜表面采用丝网印刷的方式制备银浆电极和银线；
(6)采用喷涂的方式在银电极和聚二甲基硅氧烷弹性衬底表面制备纳米银线敏感薄膜；
(7)称取聚二甲基硅氧烷材料(预聚体和固化剂的质量比为10:1)，按与聚二甲基硅氧烷材料的质量比5:1称取炭黑并均匀混合到聚二甲基硅氧烷材料中，采用刮涂的方式在银电极和纳米银线敏感薄膜的边界处制备应力缓冲层；
(8)采用刮涂的方式在应力缓冲层和敏感薄膜表面制备聚二甲基硅氧烷保护层；
(9)将应变传感器从聚乙烯吡咯烷酮乙醇剥离层表面剥离。
实施例5
通过下列具体步骤完成所述应变传感阵列：
(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对玻璃底板进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
(2)在玻璃底板上刮涂聚四氟乙烯溶液，再通过加热烘干形成剥离层；
(3)称聚二甲基硅氧烷材料(预聚体和固化剂的质量比为10：1)，混合均匀后在聚四氟乙烯剥离层表面刮涂混合材料，通过加热的方式固化聚二甲基硅氧烷弹性衬底；
(4)将聚酰亚胺胶带薄膜进行剪切，使需要制备应变传感器的位置镂空，薄膜胶粘剂表面和聚二甲基硅氧烷表面采用氧等离子体处理，将聚酰亚胺胶带贴合到经处理的聚二甲基硅氧烷表面，形成塑化层；
(5)在聚酰亚胺薄膜表面采用丝网印刷的方式制备银浆电极和银线；
(6)采用喷涂的方式在银电极和聚二甲基硅氧烷弹性衬底表面制备多壁碳纳米管敏感薄膜；
(7)称取聚二甲基硅氧烷材料(预聚体和固化剂的质量比为10:1)，按与聚二甲基硅氧烷材料的质量比5:1称取炭黑并均匀混合到聚二甲基硅氧烷材料中，采用刮涂的方式在银电极和多壁碳纳米管敏感薄膜的边界处制备应力缓冲层；
(8)采用刮涂的方式在应力缓冲层和敏感薄膜表面制备聚二甲基硅氧烷保护层；
(9)将应变传感器从聚四氟乙烯剥离层表面剥离。
实施例6
通过下列具体步骤完成所述应变传感阵列：
(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对玻璃底板进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
(2)在玻璃底板上刮涂聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，再通过加热烘干形成剥离层；
(3)称聚二甲基硅氧烷材料(预聚体和固化剂的质量比为10:1)，混合均匀后在聚四氟乙烯剥离层表面刮涂混合材料；
(4)将聚酰亚胺薄膜进行剪切，使需要制备应变传感器的位置镂空，薄膜表面采用氧等离子体处理，并贴合到聚二甲基硅氧烷材料表面，采用抽真空的方式除去薄膜和聚二甲基硅氧烷之间的气泡，通过加热的方式固化聚二甲基硅氧烷弹性衬底；
(5)在聚酰亚胺薄膜表面采用丝网印刷的方式制备银浆电极和银线；
(6)采用喷涂的方式在银电极和聚二甲基硅氧烷弹性衬底表面制备纳米银线敏感薄膜；
(7)称取聚二甲基硅氧烷材料(预聚体和固化剂的质量比为10:1)，按与聚二甲基硅氧烷材料的质量比5:1称取炭黑并均匀混合到聚二甲基硅氧烷材料中，采用刮涂的方式在银电极和纳米银线敏感薄膜的边界处制备应力缓冲层；
(8)采用刮涂的方式在应力缓冲层和敏感薄膜表面制备聚二甲基硅氧烷保护层；
(9)制备两个像素相同的应变传感阵列，两个传感阵列中相同像素位置的传感器中心位置在纵向上重叠，传感器的延伸方向呈90°交叉，在其中一个应变传感器阵列经处理的表面涂布一层聚二甲基硅氧烷，并与另一个应变传感器阵列的经处理的表面进行对齐并贴合，采用抽真空排气泡，然后加热退火固化。
(10)将应变传感器从聚乙烯吡咯烷酮乙醇剥离层表面剥离。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (19)
1.一种应变传感器，其特征在于，包括：
弹性衬底；
位于部分弹性衬底表面的敏感薄膜；
位于所述弹性衬底表面与所述敏感薄膜两端分别连接的电极；
所述电极与弹性衬底之间形成有塑化层，所述塑化层在器件应变时能够降低所述塑化层所覆盖区域的形变，保护其上的所述电极，使所述电极的电阻不发生变化，所述塑化层为具有粘结剂的柔性胶带或无粘结剂的薄膜，当所述塑化层为具有粘结剂的柔性胶带时，其能够提高所述塑化层与所述弹性衬底之间的粘结可靠性；
应力缓冲层，所述应力缓冲层覆盖所述电极与敏感薄膜的连接边界处，用于释放所述电极与所述敏感薄膜边界的应力。
2.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，还包括弹性保护层，所述弹性保护层覆盖所述敏感薄膜、所述弹性衬底和所述应力缓冲层。
3.根据权利要求2所述的应变传感器，其特征在于，所述弹性衬底和弹性保护层材料包括聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或铂催化硅胶中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述柔性胶带的基材包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯、聚乙烯以及聚丙烯中的至少一种，所述薄膜包括聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚醚醚酮以及聚对苯二甲酸乙二酯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述电极包括热固化或光固化导电胶、导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属纳米颗粒以及金属氧化物纳米颗粒中的至少一种；其中，热固化导电胶包括环氧树脂导电胶、有机硅树脂导电胶、聚酰亚胺树脂导电胶、酚醛树脂导电胶、聚氨酯导电胶以及丙烯酸树脂导电胶中的至少一种，光固化导电胶包括环氧丙烯酸酯导电胶、聚氨酯丙烯酸酯导电胶、聚酯丙烯酸酯导电胶、聚醚丙烯酸酯导电胶、丙烯酸树脂导电胶以及不饱和酯导电胶中的至少一种，所述导电聚合物包括pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯中的至少一种，所述碳基导电物包括单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管中的至少一种，所述金属包括金、银、铜、铝或镍中的至少一种，所述金属氧化物包括氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述敏感薄膜为曲线形或长方形，所述敏感薄膜中的敏感材料均匀分布或是聚集形成连续网络结构。
7.根据权利要求6所述的应变传感器，其特征在于，所述敏感薄膜材料包括金属纳米线、导电聚合物、碳基导电物、金属纳米颗粒或者金属氧化物纳米颗粒中的一种或至少两种共混；所述导电聚合物包括pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯中的至少一种；所述碳基导电物包括单层或多层石墨烯、单壁或多壁碳纳米管中的至少一种，所述金属包括金、银、铜、铝以及镍中的至少一种，所述金属氧化物包括氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物中的至少一种。
8.根据权利要求2所述的应变传感器，其特征在于，所述应力缓冲层为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或铂催化硅胶中的至少一种与导电材料的共混，所述导电材料包括热固化或光固化导电胶、导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属纳米颗粒以及金属氧化物纳米颗粒中的至少一种；其中，热固化导电胶包括环氧树脂导电胶、有机硅树脂导电胶、聚酰亚胺树脂导电胶、酚醛树脂导电胶、聚氨酯导电胶以及丙烯酸树脂导电胶中的至少一种，光固化导电胶包括环氧丙烯酸酯导电胶、聚氨酯丙烯酸酯导电胶、聚酯丙烯酸酯导电胶、聚醚丙烯酸酯导电胶、丙烯酸树脂导电胶以及不饱和酯导电胶中的至少一种，所述导电聚合物包括pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯中的至少一种，所述碳基导电物包括单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管中的至少一种，所述金属包括金、银、铜、铝或镍中的至少一种，所述金属氧化物包括氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物中的至少一种。
9.一种应变传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供弹性衬底；
在所述弹性衬底表面两侧形成塑化层；
在所述塑化层表面形成电极；
在所述电极和弹性衬底形成敏感薄膜；
在所述电极和敏感薄膜的边界覆盖应力缓冲层，所述应力缓冲层用于释放所述电极与所述敏感薄膜边界的应力；
在所述敏感薄膜和应力缓冲层表面形成弹性保护层；
所述塑化层在器件应变时能够降低所述塑化层所覆盖区域的形变，保护其上的所述电极，使所述电极的电阻不发生变化，所述塑化层为具有粘结剂的柔性胶带或无粘结剂的薄膜，当所述塑化层为具有粘结剂的柔性胶带时，其能够提高所述塑化层与所述弹性衬底之间的粘结可靠性。
10.一种应变传感阵列，其特征在于，包括：
电极引线和多个如权利要求1～8中任一项所述的应变传感器，所述应变传感器按阵列排列为至少一层；
同一层内的各应变传感器的一端电极相互连接并引出，另一端分别通过引线引出。
11.根据权利要求10所述的应变传感阵列，其特征在于，同一层内的各应变传感器的弹性衬底均为一弹性衬底层的一部分；同一层内的各应变传感器的塑化层均为一图形化塑化层的一部分；所述图形化塑化层具有阵列排列的镂空图形，各应变传感器的敏感薄膜分别位于各镂空图形处。
12.根据权利要求10所述的应变传感阵列，其特征在于，同一层内各应变传感器的延伸方向一致，所述应变传感器的延伸方向为两侧电极连线的方向。
13.根据权利要求10所述的应变传感阵列，其特征在于，多个所述应变传感器按阵列排列为上下两层，各层内应变传感器的数量和像素尺寸相同；上下两层内相同像素位置处，应变传感器中心位置在纵向上重叠，且应变传感器的延伸方向呈90°交叉。
14.一种应变传感阵列的形成方法，其特征在于，包括：
至少形成一层阵列排列的多个应变传感器，所述多个应变传感器的形成方法包括：
提供一弹性衬底层；
在所述弹性衬底层表面形成图形化塑化层，所述图形化塑化层具有阵列排列的镂空图形；
在所述图形化塑化层表面形成电极和连接所述电极的引线；
在所述电极和弹性衬底层表面形成位于镂空图形处的图形化敏感薄膜，所述图形化敏感薄膜两端分别连接电极，连接图形化敏感薄膜一端的电极相互连接至同一引线，另一端分别连接至不同的引线；
在所述电极和图形化敏感薄膜的边界覆盖应力缓冲层，所述应力缓冲层用于释放所述电极与所述图形化敏感薄膜边界的应力；
所述图形化塑化层在器件应变时能够降低所述图形化塑化层所覆盖区域的形变，保护其上的所述电极和连接所述电极的引线，使所述电极和连接所述电极的引线的电阻不发生变化，所述图形化塑化层为具有粘结剂的柔性胶带或无粘结剂的薄膜，当所述图形化塑化层为具有粘结剂的柔性胶带时，其能够提高所述图形化塑化层与所述弹性衬底层之间的粘结可靠性。
15.根据权利要求14所述的应变传感阵列的形成方法，其特征在于，所述弹性衬底层制备在具有剥离层的刚性层上，所述剥离层包括聚四氟乙烯、全氟(1-丁烯基乙烯基醚)聚合物、三氯硅烷、全氟辛基三氯硅烷、全氟已基三氯硅烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚萘二甲酸乙二醇酯以及聚酰亚胺中的至少一种。
16.根据权利要求14所述的应变传感阵列的形成方法，其特征在于，所述图形化塑化层具有粘结剂或无粘结剂；在所述弹性衬底层表面形成图形化塑化层的方法包括：对具有粘结剂的图形化塑化层表面进行等离子处理后，贴合至经等离子处理处且完全固化的弹性衬底层表面；或者对无粘结剂的图形化塑化层表面进行等离子处理后，贴合到未固化的弹性衬底层表面后再加热固化所述弹性衬底层。
17.根据权利要求14所述的应变传感阵列的形成方法，其特征在于，所述应力缓冲层的形成方法包括：将用于制备应力缓冲层的混合材料通过点胶工艺覆盖到所述电极和图形化敏感薄膜的边界或是在具有柔性掩模板的弹性衬底层表面通过刮涂的方式覆盖到电极和图形化敏感薄膜的边界；通过加热固化方式或是先光固化后加热的方式对所述混合材料进行处理以形成应力缓冲层。
18.根据权利要求14所述的应变传感阵列的形成方法，其特征在于，形成两层阵列排列的多个应变传感器；将所述两层阵列排列的多个应变传感器相对纵向叠置，相同像素位置处，应变传感器中心位置在纵向上重叠，且应变传感器的延伸方向呈90°交叉。
19.根据权利要求18所述的应变传感阵列的形成方法，其特征在于，对其中一层阵列排列的应变传感器表面进行氧等离子体处理，在另一层阵列排列的应变传感器表面涂布一层弹性保护膜；所述两层阵列排列的应变传感器阵列的经处理的表面进行贴合，采用抽真空排气泡，然后加热退火固化，形成所述应变传感器阵列。
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