仿生超宽量程高灵敏度的刚柔耦合应变传感器及制备方法

1.本发明涉及应变检测传感技术领域，尤其涉及一种仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器及制备方法。


背景技术：

2.在生物医学方面，通常通过人体产生的机械信号来诊断健康信息，如颈部振动、呼吸、心率等体征，这些复杂的机械信号往往跨越着广泛的压力，但由于传感机制和材料结构的限制，目前研究的应变传感器仍难以兼顾高灵敏度和宽传感范围。
3.因此，现有技术仍需进一步改进与发展。


技术实现要素：

4.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种仿生超宽量程高灵敏度的刚柔耦合应变传感器及制备方法，本发明通过借鉴蝎子振动感受器的感知机理及结构特征分析，设计了一种仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器，可以实现在大范围内检测不同压力动作的功能，为实现检测压力连续变形提供了良好的解决方案。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种仿生超宽量程高灵敏度的刚柔耦合应变传感器，其中，包括：
7.梯度弹性模量材料耦合的基底层，由弹性模量有差异的不同材料依次纵向耦合排列而成，或由弹性模量不同的相同材料纵向耦合而成，并在耦合的位置设置有耦合界面，所述梯度弹性模量材料耦合的基底层可在外部压力作用下产生形变；
8.导电传感层，设置在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层上，用于传感及导电；
9.微观仿生缝结构，与所述导电传感层连接，并凹陷嵌入在梯度弹性模量材料耦合的基底层内形成凹槽缝组，所述微观仿生缝结构模拟基于蝎子缝感受器结构，用于跟随所述梯度弹性模量材料耦合的基底层的形变产生形变，从而产生阻值变化；
10.当所述刚柔耦合应变传感器受到外力作用时，设置在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层上的所述微观仿生缝结构的凹槽缝组产生形变，导致所述导电传感层的电阻值发生改变。
11.所述的刚柔耦合应变传感器，其中，所述导电传感层包括：设置在梯度弹性模量材料耦合的基底层上表面的导电金属层、以及与导电金属层连接的电极。
12.所述的刚柔耦合应变传感器，其中，所述的梯度弹性模量材料耦合的基底层采用三层弹性模量，包括依次增加耦合的柔性聚氨酯丙烯酸酯层、中间弹性模量uv胶层、刚性聚氨酯丙烯酸酯层；
13.所述的柔性聚氨酯丙烯酸酯层、中间弹性模量uv胶层、刚性聚氨酯丙烯酸酯层形成刚柔耦合结构材料以耦合界面的方式耦合。
14.所述的刚柔耦合应变传感器，其中，所述凹槽缝组包括多个尺寸相同的凹槽，多个所述凹槽依次排列设置在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层的上层表面。
15.所述的刚柔耦合应变传感器，其中，所述凹槽上设置有导电铂层，所述导电铂层上设置有电极。
16.所述的刚柔耦合应变传感器，其中，所述梯度弹性模量材料耦合的基底层采用交替设置的柔性聚氨酯丙烯酸酯层-刚性聚氨酯丙烯酸酯层-柔性聚氨酯丙烯酸酯层-刚性聚氨酯丙烯酸酯层的多层结构的排列方式。
17.所述的刚柔耦合应变传感器，其中，所述耦合界面为平面耦合界面、斜坡耦合界面、s形耦合界面或三角形耦合界面。
18.所述的刚柔耦合应变传感器，其中，所述导电金属层为导电铂层。
19.所述的刚柔耦合应变传感器，其中，所述梯度弹性模量材料耦合的基底层至少包含2层弹性模量不同的材料，即刚柔耦合最小单元。
20.一种如上任一项所述的刚柔耦合应变传感器的制备方法，其中，包括步骤：
21.由弹性模量有差异的不同材料依次纵向耦合排列而成，或由弹性模量不同的相同材料纵向耦合而成的梯度弹性模量材料耦合的基底层；
22.在梯度弹性模量材料耦合的基底层上表面通过激光刻蚀的方法加工多条条状凹槽，形成微观仿生缝结构；
23.再在具有凹槽结构的一侧溅射一层金属铂以构成导电敏感层，最后，在传感器的短边两端，引出两条电极线实现对导电铂层电阻值的测量，从而实现对压力的检测。
24.本发明提供了一种仿生超宽量程高灵敏度的刚柔耦合应变传感器，其包括梯度弹性模量材料耦合的基底层、导电传感层、微观仿生缝结构。梯度弹性模量材料耦合的基底层包括，不同弹性模量的材料；导电传感层包括，导电铂层、电极(金属导线)；微观仿生缝结构包括，凹槽(缝组)。其中，不同弹性模量的材料纵向耦合排列，在传感器结构上层通过激光刻蚀的方法加工条状凹槽，再在具有凹槽结构的一侧溅射一层金属铂以构成导电敏感层，最后，在传感器的短边两端，引出两条电极线实现对导电铂层电阻值的测量，从而实现对压力的检测。
25.本发明涉及一种仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器，当传感器受到应变时，由于弹性模量的差异，弹性模量最低的柔性材料上的微观缝组结构最先接合，而弹性模量最高材料上的凹槽最后发生变形，不同弹性模量材料的导电铂层上的凹槽壁依次接合，导致电阻值不断变化，整个应变传感器的电阻由其应变程度决定，低弹性模量层主要检测小应变，高弹性模量层可以将传感范围大大扩展到高应变值，达到检测大范围应变的目的，为实现检测压力连续变形提供了良好的解决方案。本发明可以应用在生物医学方面，检测一些复杂的大压力范围的机械信号，诊断健康信息，如人体产生的颈部振动、呼吸、心率等体征，还可以应用在可穿戴传感等一些人工智能领域。
附图说明
26.图1为本发明中的刚柔耦合应变传感器较佳实施例的整体示意图。
27.图2为本发明中刚柔耦合应变传感器整体示意图。
28.图3为本发明中的刚柔耦合应变传感器正视图。
29.图4为本发明中仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器侧视图。
30.图5为本发明中仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器俯视图。
31.图6为本发明中仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器的最小刚柔耦合单元。
32.图7为本发明中仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器的2个周期的最小刚柔耦合单元之间的耦合俯视图。
33.图8为本发明中，以斜坡方式耦合的仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器示意图。
34.图9为图8中第三条凹槽在受力过程中的放大示意图。
35.图10为本发明中，以斜坡方式耦合的仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器俯视图。
36.图11为本发明中，以s形方式耦合的仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感俯视图。
37.图12为本发明中，以三角形方式耦合的仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感俯视图。
38.其中：
39.1、柔性uv胶(柔性聚氨酯丙烯酸酯层)；2、中间弹性模量uv胶，3、刚性uv胶(刚性聚氨酯丙烯酸酯层)；4、电极；5、导电铂层；6、凹槽；7、耦合界面
具体实施方式
40.本发明提供一种仿生超宽量程高灵敏度的刚柔耦合应变传感器及制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
41.除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
42.经研究发现，蝎子运动足跖骨关节末端的微振动感受器由12条缝单元组成，裂缝嵌入并贯穿外骨骼，直至皮下组织，当感受到外界振动时，裂缝受到挤压，刺激皮下组织的神经元树突从而产生神经冲动，以此感知外部振动。据研究，以裂缝边缘为界限，纵向分隔，缝感受器可以看作是由刚性层与柔性层相间的刚柔耦合多层横向排列结构，每层组织的弹性模量都有一定的差异，当缝结构感受到外部挤压时，柔性层首先发生显着变形，主要检测小应变，当外力继续增加时，刚性层随后发生显着变形，主要检测大应变。刚柔耦合结构和缝结构的设计使其实现高灵敏度和扩大压力工作范围的功能。
43.其中，已经有研究对蝎子微振动感受器的内部结构特征、材料组成和材料力学性能开展了多尺度研究，以裂缝边缘为分界，纵向分隔，蝎子缝感受器可以看作一种由刚性层与柔性层相间的多层横向排列结构，由于层于层之间的弹性模量值存在显著的差异，所以对不同的力感知程度也不同，柔性层能敏感的感知较小的力，当外界压力增大时，柔性层已经到达变形饱和，而此时的刚性层依然具有感知力的能力，据此原理设计的刚柔耦合应变传感器兼具超宽量程和高灵敏的力感知能力。
44.为此本发明提供了一种仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器。
45.实施例1
46.如图1和图2所示，本发明实施例1提供的一种仿生超宽量程高灵敏度的刚柔耦合应变传感器，包括：
47.梯度弹性模量材料耦合的基底层100，由弹性模量有差异的不同材料依次纵向耦合排列而成，或由弹性模量不同的相同材料纵向耦合而成，并在耦合的位置设置有耦合界面7，所述梯度弹性模量材料耦合的基底层可在外部压力作用下产生形变；本发明实施例中除了将耦合界面设置成平面耦合界面7；
48.导电传感层200，设置在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层上，用于传感及导电；
49.微观仿生缝结构300，与所述导电传感层连接，并凹陷嵌入在梯度弹性模量材料耦合的基底层内形成凹槽缝组，所述微观仿生缝结构模拟基于蝎子缝感受器结构，用于跟随所述梯度弹性模量材料耦合的基底层的形变产生形变，从而产生阻值变化；
50.本发明实施例中，当所述刚柔耦合应变传感器受到外力作用时，设置在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层上的所述微观仿生缝结构的凹槽缝组产生形变，导致所述导电传感层的电阻值发生改变。
51.其中，梯度弹性模量材料耦合的基底层包括，不同弹性模量的材料；所述导电传感层包括，导电铂层、以及与导电铂层连接的电极(金属导线)；所述微观仿生缝结构包括，凹槽(缝组)。
52.本发明实施例的刚柔耦合应变传感器，其中由不同弹性模量的材料纵向耦合排列的梯度弹性模量材料耦合的基底层；在梯度弹性模量材料耦合的基底层上表面通过激光刻蚀的方法加工多条条状凹槽，形成微观仿生缝结构；再在具有凹槽结构的一侧溅射一层金属铂以构成导电敏感层，最后，在传感器的短边两端，引出两条电极线实现对导电铂层电阻值的测量，从而实现对压力的检测。
53.本发明实施例的刚柔耦合应变传感器，所述的梯度弹性模量材料耦合的基底层是由弹性模量有差异的不同材料依次纵向耦合排列，也可以由弹性模量不同的相同材料纵向耦合，例如，较佳地，本发明中可以利用聚氨酯丙烯酸酯(pua)的前体溶液以不同的质量分数混合即可得到需要的弹性模量，然后由不同弹性模量的材料纵向耦合排列的梯度弹性模量材料耦合的基底层。这样，可以实现材料的弹性模量可控，通过将聚氨酯丙烯酸酯(pua)的前体溶液以不同的质量分数混合，来达到想要的目标值弹性模量，这样做的好处是每个层的弹性模量可以独立调节，增加了传感器性能的可设计性。
54.本发明实施例中，较佳地，所述由弹性模量不同的相同材料纵向耦合而成的梯度弹性模量材料耦合的基底层，其不同层材料的弹性模量值可以呈不同倍数依次增加，也可以以相同倍数依次增加，保持其弹性就可以。本发明实施例中设置呈相同倍数或呈不同倍数增加的好处：针对检测不同应变范围、理想的应变检测量程，可以通过调节不同层弹性模量的比值来实现。
55.其中，相同倍数是指：层与层间的弹性模量的比值相同，例如，即第一层:第二层＝5(即第一层与第二层比的弹性模量比值等于5)；第二层:第三层＝5；第三层:第四层＝5。这样设计就是让测量到的检测数值线性度高，即对于在检测量程内的所有应变值的灵敏度相同。
56.不同倍数是指：层与层间的弹性模量的比值不同，例如，即第一层:第二层＝1.2；
第二层:第三层＝1.4；第三层:第四层＝5。这样设计就是针对不同的应变检测范围，有更精密的检测效果。如果想更精密的检测小应变信号，实现在小应变内检测的高灵敏，则需要把材料的弹性模量设置成较柔性的。本发明实施例中，关于以上述数值比例举例，假设第一层的弹性模量为10mpa，则上述的比例设置，前三层的弹性模量分别为10mpa、12mpa、16.8mpa，弹性模量都比较低，在较小的力下就会使前三层柔性层上的凹槽全部闭合，这样做可以针对小应变信号，有更精密的检测效果。
57.综上，本发明中如果对量程有更高的要求，但还想对某一应变范围有更精密的检测，则可以调整层与层的比例，如果想着重精密的检测某一应变范围的信号，可以将相邻层之间的弹性模量的比值调小一些，即弹性模量相差较小，如果又想同时实现宽量程的要求，则可以将后面几层的比例设置的大一些。
58.本发明实施例所述的仿生超宽量程高灵敏度的刚柔耦合应变传感器，由弹性模量有差异的不同材料依次纵向耦合排列而成，或由弹性模量不同的相同材料纵向耦合而成的梯度弹性模量材料耦合的基底层。其不同层的材料之间，可以以不同形状耦合，即不同层之间纵向耦合的交界处曲面从整体俯视向下看可以是斜坡式、三角形、s形等，以实现对量程以及灵敏度的更高要求。
59.本发明实施例中，关于不同层之间纵向耦合的交界处曲面从整体俯视向下看可以是斜坡式、三角形、s形。原理为：因为耦合方式的不同会导致同一条凹槽的不同位置的凹槽壁受力情况不同，如图9和图10所示，图10为本发明中，以斜坡方式耦合的仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器俯视图，以斜坡式为例，由于同一凹槽不同位置两侧分布的不同材料体积是不均匀的，进而导致了同一凹槽的不同位置在受力时的形变效果不同，即同一凹槽的每个位置都会产生不同的电阻值，由此实现更高灵敏度的应变感知。
60.本发明实施例提供了一种仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器，其不同层的材料长度参数可以相同，即等长模型；也可以是长度参数不同的材料之间的耦合，可以根据对应变检测的量程范围的不同要求进行参数调整。这样做的好处是：可以针对检测量程的范围进行长度参数的设计。例如，在不同应用场景中，如果想实现对低应变的检测(如颈部声音振动pa级)，则需要将柔性层的长度设计长一些，例如，柔性层可以设计为占比总长度的2/3，因为柔性层上的凹槽在很小的外力下就会发生闭合，会有明显的电阻值变化，通过检测电阻值的变化就会检测应变，所以增加柔性层的长度，这样做会增加对低应变的检测范围；如果想实现对高应变的检测(咀嚼mpa级)，则需要将刚性层的长度设计长一些，例如，刚性层可以设计为占比总长度的2/3，因为弹性模量大的材料会在相对大一些的力时，其上的凹槽才会产生明显的变形，检测的电阻值才会有明显的变化，而小应变根本不足以引起其上的凹槽变形，所以增加刚性层的长度，这样做会增加对高应变的检测范围。
61.需要说明的是，本发明实施例中的刚性层和柔性层都是相对而言的，都是柔性材料，弹性模量相对低的就叫做柔性层，弹性模量相对高的就叫做刚性层。
62.本发明实施例的刚柔耦合应变传感器，其所述的刚柔耦合应变传感器至少包含2层弹性模量不同的材料，即刚柔耦合最小单元。本发明中定义的刚柔耦合最小单元，只是对刚柔耦合材料的最低层数进行一个说明，是2层。这样做的好处是相比单一弹性模量的材料，本发明中会扩大应变检测的量程。低弹性模量层检测小应变，高弹性模量层可以将传感范围大大扩展到高应变值，达到检测大范围应变的目的。
63.进一步地，本发明所述的刚柔耦合应变传感器可以设置为周期性的刚柔耦合最小单元之间的耦合，也可以根据需要设置为周期性的多层梯度渐变的材料之间的耦合。本发明实施例中：在设计成刚柔耦合最小单元的基础上，通过这样周期性的多层结构的排列方式，使得材料具有了更高的形变效果，同时增加了凹槽的应变，且在满足宽量程、高灵敏的指标前提下，增加了材料的韧性，使整体结构更加稳定，在压力的长范围内具有高水平的灵敏度、耐久性。
64.本发明实施例提供了一种仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器，其所述的微观仿生缝结构的凹槽缝组均匀设置于梯度弹性模量材料耦合的基底层的上表面，凹槽缝组与传感器的长边垂直，且每条缝间隔相同，可以根据需要调整凹槽的尺寸参数和数量。本发明中凹槽缝组与传感器的长边垂直，与长边垂直是为了便于加工；而间隔相同可以保证凹槽上的导电层形变引起的电阻值变化更加连续，线性度更好。本发明中关于调整凹槽的尺寸和数量：尺寸：例如，对于更高灵敏度的需求，可以将凹槽尺寸设计为增加深度，因为深度的增加会使凹槽的形变更敏感；对于更大量程的要求，例如，可以将凹槽的宽度增加，因为窄的凹槽在很小应变下就会闭合，闭合之后不再影响电阻的变化，只能检测小范围的应变。而增加凹槽宽度，凹槽的闭合程度会变慢，能扩大检测量程。本发明中关于数量：若要实现更精密的测量，则增加凹槽数量，这样做会让检测到得电阻值变化得很精密。
65.具体地，如图3、图4、图5和图6所示，图6中的l’、w’、h’分别表示刚柔耦合最小单元长度、宽度、高度；
66.而图4中的小l表示凹槽长度；图3中的小w表示凹槽宽度、小h表示凹槽深度、m表示凹槽间隔；
67.而图6所示的l’、w’、h’分别是刚柔耦合最小单元的长度、宽度、高度；本发明实施例中定义的刚柔耦合最小单元，只是对传感器的刚柔耦合最少层数进行一个说明，本发明实施例中最小层数就是2层。长宽高可以设计为1um-30mm级别。
68.如图8所示，本发明实施例中设l、w、h分别表示仿生应变传感器的长度、宽度、高度。
69.其中，长度l：增加长度可以增大检测的应变量程，例如当对传感器施加弯矩时，增加长度意味着只有施加更大的外力，传感器上的所有凹槽才会慢慢依次全部闭合，即总电阻不再变化，达到饱和，让电阻达到饱和的外力即为传感器能够检测到的最大应变，能增大检测的应变信号范围。而较短长度的传感器在很小的力下就能达到饱和，即电阻不再变化，也就不能检测到更大的力，减小了检测的应变信号范围。
70.宽度w和高度h：增加宽度/高度，会提高传感器的坚韧性及稳定性，则会进而增大量程。例如当对传感器施加弯矩时，较宽/高的传感器会使外力分散在宽度/高度方向上，那么在相同长度和相同受力下，较宽/高的传感器和窄/薄的传感器的所有凹槽的闭合情况是不同的，例如，同一外力作用下，窄/薄的传感器上的凹槽会全部闭合，即已经达到了其检测的最大量程，而此时较宽/高的传感器上的凹槽还没有完全闭合，意味着其电阻还能继续变化，意味着其还能检测更大的力，因此会增大量程。
71.如图3所示，本发明中关于l、凹槽长度；w、凹槽宽度，h凹槽深度，m凹槽间隔说明如下：
72.其中，凹槽长度l：本发明中的凹槽长度和传感器的宽度数值相等，为了便于加工，
便于刻缝。
73.凹槽宽度w：增加宽度能扩大量程。原因：因为窄的凹槽在很小应变下就会闭合，闭合之后不再影响电阻的变化，只能检测小范围的应变。而如果扩大凹槽宽度，在增加力的情况下才能使之完全闭合，所以增加凹槽宽度能扩大检测量程。
74.凹槽深度h：增加凹槽的深度会增加灵敏度。因为在相同的受力下，深度的增加会使凹槽的形变更敏感，从而增加灵敏度；
75.凹槽间隔m：凹槽间隔决定了凹槽数量，若要实现更精密的测量，则减小凹槽间隔，即增加凹槽数量，因为数量增多，检测到的电阻变化的值就会更加精细，导致传感器的检测结果会很精密。
76.综上，具体时可以根据应用的场景来设置不同的数值大小，例如，检测喉咙发出声音振动这种类型的小应变信号时，可以将传感器尺寸设置的小一些，例如长l为1000um-5000um，宽w为800um-4000um，高h为50um-500um，凹槽长度l为800um-4000um、凹槽宽度w为5-50um、凹槽深度h为5-35um；
77.例如，检测关节弯曲这种类型的大应变信号时，可以将尺寸设置的大一些，例如l为10mm-30mm，宽w为8mm-30mm，高h为2mm-10mm；凹槽长度l为8mm-30mm、凹槽宽度w为0.1mm-0.5mm、凹槽深度h为0.1mm-0.3mm。
78.在一种实施方式中，所述导电传感层的导电铂层可选取铂、金、银、铜、铝等各类导电金属中的一种，并通过蒸镀、物理气相沉积、溅镀、掩膜印刷等方法中的一种在材料上表面制得。其中，所述导电铂层上的缝结构通过飞秒激光加工中的一种方法制得。本发明中采用飞秒激光加工的优点：飞秒激光是脉冲宽度为几飞秒到几百飞秒的脉冲激光，飞秒激光加工的重要特点是大大减少了热能向加工区域的扩散，显著降低了热影响区的形成，从而对软材料和硬材料都可实现加工，即对材料无选择性，同时，抑制热能向周围区域的扩散也为高精度的加工提供了必要的前提。并且由于加工的自由度高，所以可实现任意复杂三维结构的制备。上述的高精度和对材料无选择性的优点适用于本发明中对不同弹性模量材料上刻凹槽的要求。
79.在一种实施方式中，所述导电传感层的电极材质可选取银、铜、银、钛、金、铝等各类导电材料中的一种，所述的电极通过溅射金属导线导出在传感器导电铂层的短边两端。这样导电效果好。
80.以下通过具体的应用实施例对本发明做进一步详细说明：
81.本发明具体应用实施例提供了一种仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器：如图2-图12所示，本实施例所述的梯度弹性模量材料耦合的基底层采用三层弹性模量，包括依次增加耦合的柔性聚氨酯丙烯酸酯层1、中间弹性模量uv胶层2、刚性聚氨酯丙烯酸酯层3；本实施例所述的柔性聚氨酯丙烯酸酯层1、中间弹性模量uv胶层2、刚性聚氨酯丙烯酸酯层3形成刚柔耦合结构材料以耦合界面7的方式耦合。
82.所述凹槽缝组包括多个尺寸相同的凹槽6，多个所述凹槽依次排列设置在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层的上层表面。即所述梯度弹性模量材料耦合的基底层的上层表面凹陷设置有多个相同尺寸的凹槽6；所述凹槽6上设置有导电铂层5，所述导电铂层5上设置有电极4。
83.其中，所述仿生刚柔耦合层基于蝎子缝感受器结构仿生制备而成，当所述刚柔耦
合结构材料受到外力作用时，所述仿生凹槽缝组产生形变，导致所述导电铂层的电阻值发生改变。
84.如图6所示，为本发明刚柔耦合应变传感器的另一实施例，本发明实施例的刚柔耦合应变传感器为最小刚柔耦合单元，左侧为柔性层11，右侧为刚性层12，根据对测量压力的量程要求，可以将传感器设置为周期性的刚柔耦合最小单元之间的耦合，也可以根据需要设置为周期性的多层梯度渐变的材料之间的耦合。根据对高灵敏度的要求，也可以在材料上层刻不同数量的凹槽。
85.具体地，本发明实施例中，选用弹性模量可调的uv胶作为基底材料，利用聚氨酯丙烯酸酯(pua)的前体溶液以不同的质量分数混合即可得到，其具有优异的化学性能，由于其具有快速固化，固化程度可调整等优点，满足了本发明中对基底材料弹性可变的要求。其中，根据检测压力的范围，调节弹性模量的数值。
86.较佳地，本发明由于所述凹槽缝组为模拟基于蝎子缝感受器结构仿生制备而成，具有高灵敏度以及应变放大作用，而且分布在不同弹性模量的材料上的所述仿生凹槽缝组在受力发生应变后，所述凹槽缝组的凹槽壁之间的接触状态发生变化，从而导致整个导电铂层的电阻改变。如图6所示，当外界压力初始作用时，由于弹性模量的差异，所述柔性层11的应变明显大于刚性层12的应变，所述柔性层上的凹槽缝组先发生变形，随着外界压力的进一步增大，所述柔性层11达到形变饱和后，所述刚性层12上的凹槽缝组随后发生变形。在一定的压力下，柔性层11的形变量越大，说明所述的刚柔耦合应变传感器的灵敏度越大；而刚性层12的弹性模量大，其受力后形变较小，能实现测量宽量程压力的作用，因而实现对不同的力高灵敏感知的功能，使所述的刚柔耦合应变传感器兼具超宽量程和高灵敏的力感知能力。
87.较佳地，本发明实施例所述的刚柔耦合应变传感器上的凹槽缝组以及所述梯度弹性模量材料耦合的基底层上的仿生刚柔耦合材料，可以根据对所需量程的范围要求，改变材料的弹性模量、材料堆叠的层数以及材料耦合的方式。对于较小量程压力的检测，应适当减小柔性层的弹性模量；对于较大量程压力的检测，应适当增加刚性层的弹性模量，增加刚柔耦合材料堆叠的层数，也可以根据需要设置不同的凹槽宽度、深度、数量参数等。具体如下所述：
88.一)、关于对于量程方面：
89.如果想实现对低应变大量程的检测(如颈部声音振动pa级)，可以通过以下三个方面实现：
90.(1)则需要将柔性层的弹性模量设置的较小一些(5mpa-100mpa),因为这样柔性材料在小应变下就会产生明显的形变，即凹槽闭合的程度很明显，能很好的检测到电阻值的变化；
91.(2)将柔性层的长度设计长一些，增加长度意味着只有施加更大一点的外力，传感器上的所有凹槽才会慢慢依次全部闭合，即总电阻不再变化，达到饱和，让电阻达到饱和的外力即为传感器能够检测到的最大应变。如果长度很短，则施加很微小的力就能让凹槽全部闭合，即达到检测的饱和状态，不能继续检测更大的力。
92.(3)或者增加柔性层的堆叠层数，即小梯度倍数的弹性模量柔性材料多层堆叠，这样可以增大检测的应变量程，适用于检测小应变、宽量程信号。
93.这样做会增加柔性层对低应变的检测范围；
94.在另外的实施例中，如果想实现对高应变范围的检测(如测量患者的咬合力mpa级)，则需要将刚性层的弹性模量设置的较大一些(1000mpa-8000mpa)，刚性层的长度设计长一些，或者增加刚性层的堆叠层数，这样做会增加刚性层对高应变的检测范围，原理同上面的分析。
95.进一步地，从凹槽角度分析，若想实现大量程的检测，可以将凹槽的宽度增加，因为窄的凹槽在很小应变下就会闭合，闭合之后不再影响电阻的变化，只能检测小范围的应变。而增加凹槽宽度，凹槽的闭合程度会变慢，能扩大检测量程。
96.本发明实施例中，对于灵敏度方面：
97.(1)凹槽方面：增加凹槽的深度会增加灵敏度，因为在相同的受力下，深度的增加会使凹槽的形变更敏感，从而增加灵敏度；若要实现更精密的测量，则增加凹槽数量，这样做会让检测到得电阻值变化得很精密
98.(2)耦合方式方面：耦合方式的不同会导致同一条凹槽的凹槽壁受力情况不同，图9是具体原理，以斜坡式为例，由于同一凹槽两侧分布的不同材料体积是不均匀的，进而导致了同一凹槽的不同位置在受力时的形变效果不同，即同一凹槽的每个位置都会产生不同的电阻值，由此实现更高灵敏度的应变感知。更具体的原理在“工作过程及原理”部分进行说明。
99.本发明实施例的刚柔耦合应变传感器的工作过程及原理如下：
100.所述的刚柔耦合应变传感器受力时，刻在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层的柔性层和刚性层上的凹槽缝组会发生形变，由于所述梯度弹性模量材料耦合的基底层上的耦合材料的弹性模量截然不同，进而导致了不同材料在不同受力大小的形变不同，如图2所示，所述梯度弹性模量材料耦合的基底层上三种堆叠材料(即柔性聚氨酯丙烯酸酯层1、中间弹性模量uv胶层2、刚性聚氨酯丙烯酸酯层3)的弹性模量从左到右依次为e1、e2、e3且e1《e2《e3，由于弹性模量的差异，受力较小时，左侧较软柔性材料(即所述柔性聚氨酯丙烯酸酯层1)上的凹槽最先发生形变，微米宽度的裂缝开始接合，会导致相邻裂缝壁间的导电能力发生剧烈变化，导电金属层(导电铂层)中形成了电子通路，自由电子可在重新接合的裂缝壁表面穿行，因此，柔性材料(即所述柔性聚氨酯丙烯酸酯层1)上的凹槽在受力下，逐渐接合会导致导电率增加，而此时另外两个材料上的凹槽没有明显变化，此时整个结构的电阻变化主要由左侧柔性材料层引起。继续增加受力，左侧材料的凹槽已经完全贴合成导体状态，中间材料的凹槽则开始发生形变，继而再次引起电阻进一步变化。受力较大时，左侧的中间弹性模量uv胶层和刚性聚氨酯丙烯酸酯层两个弹性模量较小材料的凹槽壁紧密贴合，电阻不再发生明显变化，右侧刚性层(即刚性聚氨酯丙烯酸酯层)上的凹槽开始贴合，导致其上的导电铂层相邻凹槽壁间的导电能力发生剧烈变化，此时整个结构的电阻变化主要由右侧刚性层引起。
101.综上，由于材料的弹性模量有差异，进而导致了梯度弹性模量材料耦合的基底层的耦合材料上的凹槽在不同受力大小上的形变效果不同，即外界不同的应变会导致传感器产生不同的电阻值，由此实现应变感知。整个应变传感器的电阻由其应变程度决定，不同弹性模量材料的导电铂层上的裂缝壁依次接合与分离，通过电极检测传感器的电阻变化，低弹性模量层检测小应变，高弹性模量层可以将传感范围大大扩展到高应变值，达到检测大
100mpa，将聚氨酯丙烯酸酯(pua)的前体溶液以不同的质量分数混合，就可以达到想要的目标值弹性模量。
106.基于上述实施例，本发明实施例还提供了一种基于上述实施例所述的刚柔耦合应变传感器的制备方法，包括步骤：
107.由弹性模量有差异的不同材料依次纵向耦合排列而成，或由弹性模量不同的相同材料纵向耦合而成的梯度弹性模量材料耦合的基底层；
108.在梯度弹性模量材料耦合的基底层上表面通过激光刻蚀的方法加工多条条状凹槽，形成微观仿生缝结构；
109.再在具有凹槽结构的一侧溅射一层金属铂以构成导电敏感层，最后，在传感器的短边两端，引出两条电极线实现对导电铂层电阻值的测量，从而实现对压力的检测，具体如上所述。
110.综上所述，本发明提供了一种仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器。其包括梯度弹性模量材料耦合的基底层、导电传感层、微观仿生缝结构。梯度弹性模量材料耦合的基底层包括，不同弹性模量的材料；导电传感层包括，导电铂层、电极(金属导线)；微观仿生缝结构包括，凹槽(缝组)。其中，不同弹性模量的材料纵向耦合排列，在传感器结构上层通过激光刻蚀的方法加工条状凹槽，再在具有凹槽结构的一侧溅射一层金属铂以构成导电敏感层，最后，在传感器的短边两端，引出两条电极线实现对导电铂层电阻值的测量，从而实现对压力的检测。
111.本发明涉及一种仿生超宽量程、高灵敏度的刚柔耦合应变传感器，当传感器受到应变时，由于弹性模量的差异，弹性模量最低的柔性材料上的微观缝组结构最先接合，而弹性模量最高材料上的凹槽最后发生变形，不同弹性模量材料的导电铂层上的凹槽壁依次接合，导致电阻值不断变化，整个应变传感器的电阻由其应变程度决定，低弹性模量层主要检测小应变，高弹性模量层可以将传感范围大大扩展到高应变值，达到检测大范围应变的目的，为实现检测压力连续变形提供了良好的解决方案。本发明可以应用在生物医学方面，检测一些复杂的大压力范围的机械信号，诊断健康信息，如人体产生的颈部振动、呼吸、心率等体征，还可以应用在可穿戴传感等一些人工智能领域。
112.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种仿生超宽量程高灵敏度的刚柔耦合应变传感器，其特征在于，包括：梯度弹性模量材料耦合的基底层，由弹性模量有差异的不同材料依次纵向耦合排列而成，或由弹性模量不同的相同材料纵向耦合而成，并在耦合的位置设置有耦合界面，所述梯度弹性模量材料耦合的基底层可在外部压力作用下产生形变；导电传感层，设置在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层上，用于传感及导电；微观仿生缝结构，与所述导电传感层连接，并凹陷嵌入在梯度弹性模量材料耦合的基底层内形成凹槽缝组，所述微观仿生缝结构模拟基于蝎子缝感受器结构，用于跟随所述梯度弹性模量材料耦合的基底层的形变产生形变，从而产生阻值变化；当所述刚柔耦合应变传感器受到外力作用时，设置在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层上的所述微观仿生缝结构的凹槽缝组产生形变，导致所述导电传感层的电阻值发生改变。2.根据权利要求1所述的刚柔耦合应变传感器，其特征在于，所述导电传感层包括：设置在梯度弹性模量材料耦合的基底层上表面的导电金属层、以及与导电金属层连接的电极。3.根据权利要求1所述的刚柔耦合应变传感器，其特征在于，所述的梯度弹性模量材料耦合的基底层采用三层弹性模量，包括依次增加耦合的柔性聚氨酯丙烯酸酯层、中间弹性模量uv胶层、刚性聚氨酯丙烯酸酯层；所述的柔性聚氨酯丙烯酸酯层、中间弹性模量uv胶层、刚性聚氨酯丙烯酸酯层形成刚柔耦合结构材料以耦合界面的方式耦合。4.根据权利要求1所述的刚柔耦合应变传感器，其特征在于，所述凹槽缝组包括多个尺寸相同的凹槽，多个所述凹槽依次排列设置在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层的上层表面。5.根据权利要求4所述的刚柔耦合应变传感器，其特征在于，所述凹槽上设置有导电铂层，所述导电铂层上设置有电极。6.根据权利要求1所述的刚柔耦合应变传感器，其特征在于，所述梯度弹性模量材料耦合的基底层采用交替设置的柔性聚氨酯丙烯酸酯层-刚性聚氨酯丙烯酸酯层-柔性聚氨酯丙烯酸酯层-刚性聚氨酯丙烯酸酯层的多层结构的排列方式。7.根据权利要求1所述的刚柔耦合应变传感器，其特征在于，所述耦合界面为平面耦合界面、斜坡耦合界面、s形耦合界面或三角形耦合界面。8.根据权利要求2所述的刚柔耦合应变传感器，其特征在于，所述导电金属层为导电铂层。9.根据权利要求1所述的刚柔耦合应变传感器，其特征在于，所述梯度弹性模量材料耦合的基底层至少包含2层弹性模量不同的材料，即刚柔耦合最小单元。10.一种如权利要求1-9任一项所述的刚柔耦合应变传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：由弹性模量有差异的不同材料依次纵向耦合排列而成，或由弹性模量不同的相同材料纵向耦合而成的梯度弹性模量材料耦合的基底层；在梯度弹性模量材料耦合的基底层上表面通过激光刻蚀的方法加工多条条状凹槽，形成微观仿生缝结构；
再在具有凹槽结构的一侧溅射一层金属铂以构成导电敏感层，最后，在传感器的短边两端，引出两条电极线实现对导电铂层电阻值的测量，从而实现对压力的检测。

技术总结
本发明公开仿生超宽量程高灵敏度的刚柔耦合应变传感器及制备方法，包括：梯度弹性模量材料耦合的基底层，由弹性模量有差异的不同材料依次纵向耦合排列而成或由弹性模量不同的相同材料纵向耦合而成；导电传感层，设置在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层上；微观仿生缝结构与所述导电传感层连接，并凹陷嵌入在梯度弹性模量材料耦合的基底层内形成凹槽缝组，微观仿生缝结构模拟基于蝎子缝感受器结构，用于跟随所述梯度弹性模量材料耦合的基底层的形变产生形变，从而产生阻值变化；当所述刚柔耦合应变传感器受到外力作用时，设置在所述梯度弹性模量材料耦合的基底层上的所述微观仿生缝结构的凹槽缝组产生形变，导致所述导电传感层的电阻值发生改变。电传感层的电阻值发生改变。电传感层的电阻值发生改变。


技术研发人员：侯涛 孙千慧 侯秋丰 罗勇 吴晓勇 刘富 赵宇锋
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/14