兼具高安全性与高探测量程的电容式弹性应变传感器及其制备方法
阅读说明：本技术 兼具高安全性与高探测量程的电容式弹性应变传感器及其制备方法 (Capacitive elastic strain sensor with high safety and high detection range and preparation method thereof ) 是由 刘宜伟 李金财 吴科鹏 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供兼具高安全性与高探测量程的电容式弹性应变传感器及其制备方法。该传感器包括弹性纺织材料构成的基体、弹性粘合层、第一导电层、弹性介电层以及第二导电层；所述弹性介电层由上下层叠的三层组成,一层是具有高弹性模量的第一弹性介电层,一层是具有低弹性模量的第二弹性介电层,另一层是夹在第一弹性介电层与第二弹性介电层之间的胀塑性流体层；所述胀塑性流体层由弹性的环状结构,以及设置在环状结构内部的胀塑性流体组成。该传感器能够提高安全防护作用,同时有效拓宽了可探测应力的量程,具有非常良好的应用前景。(The invention provides a capacitive elastic strain sensor with high safety and high detection range and a preparation method thereof. The sensor comprises a substrate made of elastic textile materials, an elastic bonding layer, a first conductive layer, an elastic dielectric layer and a second conductive layer; the elastic dielectric layer consists of three layers which are stacked up and down, wherein one layer is a first elastic dielectric layer with high elastic modulus, the other layer is a second elastic dielectric layer with low elastic modulus, and the other layer is a swelling plastic fluid layer which is clamped between the first elastic dielectric layer and the second elastic dielectric layer; the swelling plastic fluid layer is composed of an elastic annular structure and swelling plastic fluid arranged inside the annular structure. The sensor can improve the safety protection effect, effectively broadens the range of detectable stress and has very good application prospect.)
技术领域
本发明涉及电容式应变传感器技术领域，特别涉及一种兼具高安全性与高探测量程的电容式弹性应变传感器及其制备方法。
背景技术
近年来柔性电子技术被广泛关注，尤其是随着可穿戴技术的发展，对柔弹性传感器件的需求日益增加，例如智能服装和智能穿戴的兴起，将弹性应变传感器与纺织材料相结合是未来智能服装和智能穿戴的主流趋势。
CN 110657741 A公开了一种电容式弹性应变传感器，依次包括弹性基体、弹性结合层、第一导电层、弹性介电层、第二导电层与弹性封装层，第一导电层与第二导电层分别由导电液体、导电浆料或者导电凝胶构成。该传感器具有优异的弹性应变响应功能，同时还具有良好的可穿戴性与舒适性，当受到应力作用时发生形变，引起第一导电层与第二导电层之间的间距或者相对面积发生变化，从而导致电容发生变化，因此能够根据电容的变化检测所受到的应力。但是，该传感器存在如下问题：
(1)传感器具有弹性，受到应力作用时发生形变，但是形变范围是有限制的，与各层的实际材料有关，例如，当外界应力较大，传感器受到该应力时发生的实际形变超过传感器可探测的形变上限，会引起传感器探测不准确，灵敏度降低，以及导致传感器破坏等问题；当外界应力较小，传感器受到该应力时发生的实际形变低于传感器的形变下限时，传感器将无法探测该应力。
因此，如何提高该传感器可探测的应力范围(即探测量程)，使其不仅对微弱应力敏感，可探测该微小应力，而且能够承受大应力作用下的形变，可探测大应力，具有重要意义，将有利于拓宽该传感器的应用，以及提高灵敏度。
(2)在实际应用中，传感器可能受到高速运动的应力作用(即应力的速率高)，例如，受到高速飞行的子弹穿击、快速的剑击，高速的拍击、撞击、磕碰、揉搓、挤压等，这类应力作用即使应力值较小，但是由于速率大因此动量较高，导致传感器受到的破坏性大大提高，当该传感器穿戴在生命体时甚至导致生命体遭受严重损伤。
因此，传感器的推广应用必须以可靠的安全性为基础，尤其是在极端情况下的安全性以及传感器穿戴在生命体时的安全性需要重点考虑的。
发明内容
针对上述技术现状，本发明提供一种电容式弹性应变传感器，不仅具有优异的传感功能、良好的可穿戴性与舒适性，而且兼具高安全性与高探测量程。
本发明的技术方案为：一种兼具高安全性与高探测量程的电容式弹性应变传感器，自下而上依次包括弹性纺织材料构成的基体、弹性粘合层、第一导电层、弹性介电层，以及第二导电层；
所述基体为弹性纺织材料；
所述弹性粘合层位于基体表面，具有导电绝缘性；
所述第一导电层位于弹性粘合层表面，由导电液体、导电浆料或者导电凝胶构成，与第一电极相连；
所述弹性介电层位于第一导电层表面，具有导电绝缘性；
所述第二导电层位于弹性介电层表面，由导电液体、导电浆料或者导电凝胶构成，与第二电极相连；
其特征是：所述弹性介电层由上下层叠的三层组成，一层是具有高弹性模量的第一弹性介电层，一层是具有低弹性模量的第二弹性介电层，另一层是夹在第一弹性介电层与第二弹性介电层之间的胀塑性流体层；所述胀塑性流体层由弹性的环状结构，以及设置在环状结构内部的胀塑性流体组成。
本发明中，柔性是指在外力作用下能够发生弯曲、拉伸、扭拧等变形。弹性是柔性中的一种，是指在外力作用下能够发生弯曲、拉伸、扭拧等变形，并且当外力撤除时具有一定形状恢复能力的性能。
所述第一弹性介电层与第二弹性介电层的上下位置不限，可以是在第一导电层表面设置第一弹性介电层，在第二弹性介电层表面设置第二导电层；也可以是在第一导电层表面设置第二弹性介电层，在第一弹性介电层表面设置第二导电层。
弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，定义为单向应力状态下应力除以该方向的应变。所述第一弹性介电层具有高弹性模量，所述第二弹性介电层具有低弹性模量，即第一弹性介电层的弹性模量高于第二弹性介电层的弹性模量。
作为优选，所述第一弹性介电层的弹性模量高于第一导电层的弹性模量，并且高于第二导电层的弹性模量，即，在第一弹性介电层、第二弹性介电层、第一导电层以及第二导电层中，第一弹性介电层的弹性模量最高。
作为优选，所述第二弹性介电层的弹性模量低于第一导电层的弹性模量，并且低于第二导电层的弹性模量，即，在第一弹性介电层、第二弹性介电层、第一导电层以及第二导电层中，第二弹性介电层的弹性模量最低。
所述环状结构用于限制胀塑性流体在平面的流动。本发明中，所述环状结构、第一弹性介电层与第二弹性介电层构成密闭空间，所述胀塑性流体被封装在该密闭空间中，能够防止胀塑性流体溢出。
所述环状结构具有弹性，其材料不限，包括弹性高分子材料等。作为进一步优选，所述环状结构采用热塑性弹性体(TPE)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、高分子聚合树脂、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)中的一种或者几种。
所述胀塑性流体又称为膨胀性流体，是非牛顿流体中的一种。非牛顿流体是指不符合牛顿运动定律的流体。胀塑性流体是指剪切应力与剪切应变率之间不是线性关系，粘度随着剪切速率的增加而增加，具有剪切增稠现象的流变材料。即，一个无限小的剪切应力就能使其开始运动，并且粘度随剪切速率的增加而增加。当在高速冲击下，其粘度发生巨大变化,甚至由液相转变为固相；冲击撤除后，又能够从固相转变为液相。
所述胀塑性流体材料主要包括主体材料与溶剂，主体材料包括但不限于淀粉、蜂蜜、湿沙、D3O材料等中的一种或几种。溶剂包括但不限于水。
所述第一弹性介电层材料不限，包括弹性高分子材料等，例如古塔胶(硬性天然橡胶)、橡胶、高分子聚合物、高硬度聚氨酯树脂中的一种或者几种
所述第二弹性介电层材料不限，包括弹性高分子材料等，例如热塑性弹性体(TPE)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、高分子聚合树脂、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)中的一种或者几种。
所述环状结构的横截面形状不限，包括规则形状与不规则形状，规则形状包括矩形、圆形、椭圆形、以及其他多边形等。
所述纺织材料层是由棉、麻、毛、丝绸、呢绒、纤维等材料中的一种或者几种形成的织物。
所述弹性纺织材料是有弹性的纺织材料，可以将纺织材料通过结构设计使其具有弹性，例如，通过罗纹组织使纺织材料具有弹性，或者纺织材料本身具有弹性。
所述弹性粘合层材料不限，包括弹性高分子材料等。作为进一步优选，所述弹性粘合层采用与纺织材料具有良好的粘结能力的弹性材料，例如热塑性弹性体(TPE)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、高分子聚合树脂、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)中的一种或者几种。
所述导电液体不限，例如液态金属、导电墨水等。
所述导电凝胶不限，例如石墨导电胶、银胶等。
所述导电浆料不限，包括石墨烯浆料，导电材料与弹性体的混合浆料等。导电材料与弹性体的混合浆料包括但不限于液态金属与弹性体的混合浆料、碳粉与弹性体的混合浆料、碳纤维与弹性体的混合浆料、石墨烯与弹性体的混合浆料、金属粉末与弹性体的混合浆料等。作为优选，液态金属与弹性体按照质量比100：(1～100)混合为浆料；碳粉和弹性体按照质量比(1～100)：100混合为浆料；碳纤维和弹性体按照质量比(1～100)：100混合为浆料；石墨烯和弹性体按照质量比(1～100)：100混合为浆料；金属粉末和弹性体按照质量比(1～100)：100混合为浆料。
所述的第一电极用于导电连接外部器件，其材料不限，包括但不限于金属材料、导电布、石墨烯、石墨导电胶、银胶、液态金属、电路板、聚合物导电材料等。
所述的第二电极用于导电连接外部器件，其材料不限，包括但不限于金属材料、导电布、石墨烯、石墨导电胶、银胶、液态金属、电路板、聚合物导电材料等。
作为优选，所述所述第一导电层厚度小于5mm，优选小于500μm，甚至可以小于10μm。
作为优选，所述所述第二导电层厚度小于5mm，优选小于500μm，甚至可以小于10μm。
作为优选，所述导电层连接电极，导电层通过电极与外电路连通。
作为优选，第一导电层在弹性粘合层表面呈一定图案结构或平面。所述图案不限，包括直线、正弦线、波浪线、锯齿波、三角波、椭圆形、环形、线圈形、心形等中的一种及两种以上并列、交叉、堆叠等组成的图案。
作为优选，第二导电层在弹性介电层表面呈一定图案结构或平面。所述图案不限，包括直线、正弦线、波浪线、锯齿波、三角波、椭圆形、环形、线圈形、心形等中的一种及两种以上并列、交叉、堆叠等组成的图案。
作为优选，所述电容式弹性应变传感器还包括弹性封装层。所述弹性封装层材料不限，包括弹性高分子材料等。作为进一步优选，所述弹性粘合层采用与纺织材料具有良好的粘结能力的弹性材料，例如热塑性弹性体(TPE)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、高分子聚合树脂、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)中的一种或者几种。
本发明还提供一种制备该电容式弹性应变传感器的方法，包括如下步骤：
在第一导电层表面制备第一弹性介电层；在第一弹性介电层表面制备环状结构；在离型膜上制备第二弹性介电层；将第二弹性介电层与环状结构通过热压方式进行粘接，第一弹性介电层、第二弹性介电层以及环状结构构成密闭结构；通过注射的方式，在密闭结构中填充胀塑性流体。或者，包括如下步骤：
在第一导电层表面制备第二弹性介电层；在第二弹性介电层表面制备环状结构；在离型膜上制备第一弹性介电层；将第一弹性介电层与环状结构通过热压方式进行粘接，第一弹性介电层、第二弹性介电层以及环状结构构成密闭结构；通过注射的方式，在密闭结构中填充胀塑性流体。
与现有技术相比，本发明将电容式弹性应变传感器中的弹性介质层设计为三层层叠结构，分别是具有高弹性模量的第一弹性介电层，具有低弹性模量的第二弹性介电层，以及设置在所述第一弹性介电层与第二弹性介电层之间的胀塑性流体层，并且设置弹性的环状结构，用于防止胀塑性流体溢出，该结构的电容式弹性应变传感器具有如下有益效果：
(1)提高传感器的安全防护作用
本发明的电容式弹性应变传感器中弹性介电层由三层组成，与单层或者双层的弹性介电层相比，当遭受外力作用时提高了防护效果。尤其是本发明在弹性介电层中设置了具有高弹性模量的第一弹性介电层，并且设置了胀塑性流体层；高弹性模量的第一弹性介电层有效提高了传感器抵抗弹性变形的能力，当传感器受到较大的外力撞击、拍击、磕碰、揉搓、挤压等时能够提高安全防护作用；胀塑性流体层有效提高了传感器对高速应力的防护，例如高速飞行的子弹穿击、快速的剑击，高速的拍击、撞击、磕碰、揉搓、挤压等施加在所述传感器时，由于胀塑性流体的剪切增稠特性，其粘度发生巨大变化,甚至由液相转变为固相，从而形成有效的安全防护障而抵抗外力，有效保护了外力对传感器的损伤以及对穿戴该传感器的生命体的损伤。
(2)提高传感器的应力探测量程
对本发明的传感器施加外力时，传感器发生形变，导致第一导电层与第二导电层的间距和/或者相对面积发生变化，从而电容发生变化。
当所施加的外力较大时，由于第一导电层与第二导电层之间存在具有高弹性模量的第一弹性介质层，有效降低了传感器的形变量，尤其是当所施加的外力还具有高速率时，由于胀塑性流体的剪切增稠特性，其粘度发生巨大变化,甚至由液相转变为固相，进一步降低了传感器的形变量，从而防止了传感器的实际形变超过传感器可探测的形变上限，即，提高了传感器的可探测应力的上限值。
当所施加的外力较小时，由于第一导电层与第二导电层之间存在具有低弹性模量的第二弹性介质层，有效提高了传感器的形变量，尤其是当所施加的外力具有低速率时，塑性流体由于粘度较小而流动性好，对微小应力可发生响应而形变较大，进一步提高了传感器的形变量，从而解决了由于传感器受到的应力微弱而引起的形变微小，导致传感器无法探测该应力的问题，提高了传感器的灵敏度，降低了传感器的可探测应力的下限值。
因此，通过本发明的结构设计有效拓宽了电容式弹性应变传感器的可探测应力的量程，大大提高了该传感器的应用范围，例如，不仅可用于探测脉搏跳动等微弱应力，而且可探测强力撞击等大应力，以及高速子弹等高速应力，具有非常良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1中电容式弹性应变传感器的结构示意图。
图2是图1中环状结构的横截面示意图。
图1至图2中的附图标记为：1-弹性纺织材料，2-弹性粘合层，3-第一导电层，4-胀塑性流体，5-环状结构，6-第二导电层，7-弹性封装层，8-第一电极，9-第二电极，10-高弹性模量的第一弹性电介质层，11-低弹性模量的第二弹性电介质层。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
电容式弹性应变传感器结构如图1所示，自下而上依次为基体1，弹性粘合层2，第一导电层3，弹性介电层、第二导电层6，以及弹性封装层7。
弹性粘合层2具有导电绝缘性，位于基体表面。
第一导电层3位于弹性粘合层2表面，由液态金属与聚合物混合浆料构成，与第一电极8相连。
弹性介电层位于第一导电层3表面，由上下层叠的三层组成，一层是具有高弹性模量的第一弹性介电层10，一层是具有低弹性模量的第二弹性介电层11，另一层是夹在第一弹性介电层10与第二弹性介电层11之间的胀塑性流体层。胀塑性流体层由弹性的环状结构5，以及设置在环状结构5内部的胀塑性流体4组成，即，环状结构5、第一弹性介电层10与第二弹性介电层11构成密闭空间，胀塑性流体4被封装在该密闭空间中。
本实施例中，在第一导电层3表面设置第一弹性介电层10，在第二弹性介电层11表面设置第二导电层6。
第二导电层6位于第二弹性介电层11表面，由液态金属与聚合物混合浆料构成，与外部第二电极9相连。弹性封装层7用于封装第一导电层3与第二导电层6。
本实施例中，基体1选用弹性纺织材料氨纶布，弹性粘合层2、环状结构5、弹性封装层7都选择热塑性聚氨酯弹性体(TPU)。第一导电层3与第二导电层6都由液态金属GaInSn与TPU混合浆料构成。第一电极8与第二电极9为铜片。胀塑性流体4为淀粉溶液，由玉米淀粉与水构成，玉米淀粉与水的质量比是(1.5～2):1。
本实施例中，第一弹性介电层10采用古塔胶，第二弹性介电层11采用热塑性弹性体，第一弹性介电层10的弹性模量高于第二弹性介电层11的弹性模量。
本实施例中，如图2所示，环状结构5的横截面为矩形。
本实施例中，第一导电层3与第二导电层6的厚度均为100μm。
上述电容式弹性应变传感器的制备包括如下步骤：
在弹性纺织材料上采用热压工艺成型弹性粘合层2；在弹性粘合层2表面通过涂布将液态金属GaInSn与TPU混合浆料均匀涂覆在弹性粘合层2上，得到第一导电层3；在第一导电层3的两端贴合细铜片作为第一电极8；
通过热压的方式将第一导电层3与第一弹性介电层10粘合在一起；或者将固化前液态状的第一弹性介电质层10涂布到亚克力板上，然后将第一导电层3覆盖在第一弹性介质层10表面上，并用辊轴辊压后进行热固化粘合；
采用注射的方法在第一弹性介电层10表面的边缘涂布热熔TPU，冷却至室温后获得如图2所示的环状结构；
将液态金属GaInSn与TPU混合浆料均匀涂覆在离型膜上，得到第二弹性介电层11；
将第二弹性介电层11与环状结构5通过热压方式进行粘接，然后剥离离型膜，第一弹性介电层10、第二弹性介电层11，以及环状结构5构成密封结构；通过注射的方式，在密封结构中填充淀粉溶液；
用热压的方式将第二导电层6粘合到第二弹性介电层11表面；或者将固化前液态状的第二弹性介电质层11涂布到亚克力板上，然后将第二导电层6覆盖在第二弹性介质层11表面上，并用辊轴辊压后进行热固化粘合；
在第二导电层6的两端贴合细铜片作为外部第二电极9。在第二导电层6表面采用涂布热熔型TPU作为弹性封装层7。
上述制得的电容式弹性应变传感器不仅具有应力传感功能、舒适的可穿戴性，而且具有以下优异的效果：
(1)在实际应用中当传感器受到较大的外力撞击、拍击、磕碰、揉搓、挤压等时由于具有高弹性模量的第一弹性介电层的设置能够提高安全防护作用，并且当传感器受到高速应力，例如高速飞行的子弹穿击、快速的剑击，高速的拍击、撞击、磕碰、揉搓、挤压等时，由于胀塑性流体的剪切增稠特性能够形成有效的安全防护障而抵抗外力，有效保护了外力对传感器的损伤以及对穿戴该传感器的生命体的损伤。
(2)当该传感器受到较大外力作用时，由于设置具有高弹性模量的第一弹性介质层，有效降低了传感器的形变量，尤其是当外力还具有高速率时，例如高速的拍击、撞击、磕碰、揉搓、挤压等，由于胀塑性流体的剪切增稠特性，其粘度发生巨大变化,甚至由液相转变为固相，进一步降低了传感器的形变量，从而能够防止传感器的实际形变超过传感器可探测的形变上限，即，提高了传感器的可探测应力的上限值。
当该传感器受到微弱外力作用时，例如脉搏跳动等，由于设置具有低弹性模量的第二弹性介质层，在外力作用下第二弹性介质层形变较大，尤其是当所施加的外力具有低速率时，塑性流体由于粘度较小而流动性好，对微小应力可发生响应而形变较大，进一步提高了传感器的形变量，从而提高了传感器的灵敏度，降低了传感器的可探测应力的下限值。因此，该传感器具有宽的应力探测量程。
实施例2：
本实施例中，电容式弹性应变传感器结构与实施例1中的电容式弹性应变传感器结构基本相同，所不同的是：胀塑性流体为蜂蜜，环状结构的横截面形为圆形；在第一导电层3表面设置第二弹性介电层11，在第一弹性介电层10表面设置第二导电层6。
本实施例中，电容式弹性应变传感器的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是：
用热压的方式将第二弹性介电层11粘合到第一导电层3表面；或者将固化前液态状的第二弹性介电质层11涂布到亚克力板上，然后将第一导电层3覆盖在第二弹性介质层11表面上，并用辊轴辊压后进行热固化粘合；
采用注射的方法在第二弹性介电层11表面的边缘涂布热熔TPU，冷却至室温后获得环状结构；
将液态金属GaInSn与TPU混合浆料均匀涂覆在离型膜上，得到第一弹性介电层10；
将第一弹性介电层10与环状结构5通过热压方式进行粘接，然后剥离离型膜，第一弹性介电层10、第二弹性介电层11，以及环状结构5构成密封结构；通过注射的方式，在密封结构中填充蜂蜜；
用热压的方式将第二导电层6粘合到第一弹性介电层11表面；或者将固化前液态状的第一弹性介电质层10涂布到亚克力板上，然后将第二导电层6覆盖在第一弹性介质层10表面上，并用辊轴辊压后进行热固化粘合。
与实施例相同，上述制得的电容式弹性应变传感器不仅具有应力传感功能、舒适的可穿戴性，而且具有安全防护功能与宽的应力探测量程。
实施例3：
本实施例中，电容式弹性应变传感器结构与实施例1中的电容式弹性应变传感器结构基本相同，所不同的是胀塑性流体为湿沙，环状结构的横截面形为椭圆形；第一弹性介电层10采用高硬度聚氨酯树脂，第二弹性介电层11采用聚二甲基硅氧烷，并且第一弹性介电层的弹性模量高于第二弹性介电层11的弹性模量，高于第一导电层3的弹性模量，并且高于第二导电层6的弹性模量。第二弹性介电层11的弹性模量低于第一弹性介电层的弹性模量，低于第一导电层3的弹性模量，并且低于第二导电层6的弹性模量。
实施例4：
本实施例中，电容式弹性应变传感器结构与实施例1中的电容式弹性应变传感器结构基本相同，所不同的是胀塑性流体为D3O材料，环状结构的横截面形为椭圆形；第一弹性介电层10采用高硬度硅胶，第二弹性介电层11采用热塑性聚氨酯弹性体，并且第一弹性介电层10的弹性模量高于第二弹性介电层11的弹性模量，高于第一导电层3的弹性模量，并且高于第二导电层6的弹性模量。第二弹性介电层11的弹性模量低于第一弹性介电层的弹性模量，低于第一导电层3的弹性模量，并且低于第二导电层6的弹性模量。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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