CN101339001B

CN101339001B - 使用掺杂聚合流体的压阻式应变计

Info

Publication number: CN101339001B
Application number: CN200810137642.0A
Authority: CN
Inventors: 郑庆祥; 钞晨; 张燕妮
Original assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Current assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: US7500399B2; US20090007685A1; CN101339001A

Abstract

本发明涉及使用掺杂聚合流体的压阻式应变计及其制造方法，其中该应变计含有掺杂的聚合流体，适于测量超过10％的伸长率。

Description

使用掺杂聚合流体的压阻式应变计

技术领域

本发明涉及应变计及其制造方法，其中该应变计含有掺杂的聚合流体，适于测量超过10％的伸长率。

背景技术

应变计或计量器是用于测量对样品施加机械力和/或热力时主要在样品表面发生的尺寸变化。一种应变计是与样品表面连接，且机械性地放大表面的表面变形使得能够通过指示器对变化进行测量。

在生物流体流的测量中，Whitney(1953)首先引入用于测量响应静脉阻塞出现在组织体积中的变化的含汞橡胶(mercury-in-rubber)应变计体积描记术。使用时，将张力状态下的应变计放置在待研究的肢体周围。尽管此应变计有效用，但由于其含有汞，因而会对环境造成破坏，导致处理的问题。

本发明的目的在于提供一种应变计，其用于测量能够出现大变形的物品，同时不会破坏环境。

发明内容

本发明提出一种具有掺杂聚合流体的应变计，其中所述应变计能够测量超过10％的变形率，而不会对环境造成破坏。

通过以下说明、所附的权利要求书和附图，本发明的装置和方法的上述或其它特点、方面和优点将会更清晰。

附图说明

图1示出了本发明的应变计的一个具体实施方式。

图2示出了本发明的应变计的制造方法。

图3示出了连有拉力的应变计。

图4为测量的电阻对应变计的拉力作图。

图5A～图5D示出了本发明应变计的制造方法。

图6为压阻式应变计，其使用导电粉末掺杂的聚合流体作为应变计材料。

图7为纳米流应变计的制造工艺。

图8显示测量的拉力vs电阻具有线性关系。

图9为制得的应变计原型(prototype)，其具有用硅橡胶保持的碳黑掺杂聚合物流体。

具体实施方式

以下对具体实施方式的说明仅出于举例说明的目的而非用于限定本发明及其应用或用途。

以下将对于图1～5进行说明。

本发明涉及含有导电流体的应变计以及制造该应变计的方法。通过本发明，可获得能够测量物品发生大变形(超过10％)的应变计。因此，本发明是现有技术中无法测量大变形或者会破坏环境的应变计的一个改良，现有技术的应变计包括金属线应变计和汞基应变计。

图1为本发明的应变计的一个具体实施方式，该装置具有以下组件：聚合物通路101、掺杂聚合流体103以及连接测量器的电极105。

聚合物通路101可用适于宽范围温度(如-195℃～200℃)且伸长率超过10％的材料制成。适于作为聚合物通路101的材料的实例包括弹性体，如衍生自丙烯酸酯、丁基橡胶、碳氟化合物、氟硅氧烷、硫化物、尿烷(urethanes)、氯丁二烯橡胶(neoprenes)、异戊二烯、硝酸酯、硅酮(silicones)、丁二烯和苯乙烯丁二烯橡胶(styrene butadienes)的弹性体。树脂也是合适的材料，例如环氧树脂、苯酚树脂和聚酰亚胺。聚合物通路101也可以例如与玻璃纤维掺杂，以改善通路101的特性。

掺杂聚合流体103由混合有导电粉末的非导电聚合流体制成。在一个实施方式中，非导电流体为通式[R₂SiO]_n表示的硅化合物，其中R＝甲基、乙基或苯基，n表示重复单元数目，n为1～100的整数。其它非导电性聚合流体包括蓖麻油、矿油和丙二醇。需要向非导电性聚合物加入作为导电元素的导电粉末。导电粉末的实例为碳黑粉末或金属粉末。非导电性聚合物与碳黑粉末的重量比可以是0.5∶1～1∶3。

用于保留掺杂聚合流体103的槽107的容积为约1μL或以上，即聚合流体通路的容积为约1μL或以上。在一个实施方式中，槽107的尺寸为2mm(深)×5mm(宽)×20mm(长)。

使用时，应变计的两端朝相反方向109拉伸。电极105经由连接线(未示出)向测量系统(未示出)传输电信号。测量系统测量应变计变形引起的电阻变化。通过本发明的应变计的结构，可以测量变形超过10％的物品。向应变计施加拉力时，应变计的长度增加，横截面面积减少。电阻由下式表示，

电阻＝电阻率×长度/横截面面积

图2为制造本发明应变计的一个实施方式。

首先，在硅衬底201中制造聚合物通路，形成槽203。在制造过程中，使用如光刻胶等的膜涂料。该光刻胶优选为负性光刻胶，其适于涂覆较大部分，对该部分曝光而引发辐射聚合(activating radiation polymerize)，或使光活性化合物和光刻胶组合物的可聚合物质发生交联。

美国专利号7,211,365公开了适用于本发明的光刻胶涂料，在此通过参考的方式将其并入本文。在一个实施方式中，在制造过程中使用了SU-8(MicroChem Corp)光刻胶。

在另一实施方式中，采用微制造技术如蚀刻和薄膜沉积形成槽203。

如上所述，形成的槽203的容积约为1μL或以上。在一个优选设计中，槽的长度为最大测量值，是槽的深度的80～300倍。

然后用聚合物盖205将槽气封。聚合物盖的尺寸优选与应变计的深度和长度相等。

如上所述，然后向密封槽注入导电流体，优选经由注射器将导电流体注入应变计的一侧209。然而，注射前，在应变计的另一侧207形成通气孔。然后在预先形成的孔中插入电极(如金属线)。固定金属线，用填料如环氧树脂密封该孔。

图3是本发明连有拉力的掺杂聚合应变计300的一个实施方式。掺杂聚合应变计300包括以下组件：线电极303和掺杂聚合流体305，且掺杂聚合应变计300与沿直线方向拉引应变计300的拉力301连接。使用时，应变计300朝相反方向相对伸展；掺杂聚合流体305的主体部分变大、变薄。如电极303所测定的，应变计300的电阻因此而增加。通过适当连接的电路，电阻优选通过检流计被放大和记录。优选放大电阻的变化，使应变计长度的微小变化能够使检流计的指针发生偏扭，由此检测到细微的变化并将其记录。

在一个实施例中，应变计可以用于测量生物流体流。可以通过将张力状态下的应变计放置在待研究的肢体周边进行测量。应变计的电阻随着肢体周边(circumference)的变化而变化。平衡的惠斯通电桥(具有由应变计形成的一个臂)给出随着肢体周边的变化而变化的失衡电压。电极与用于测量的检流计连接。通过本发明，应变计可测量超过10％的伸长率，而不会断裂。

可对应变计的两端施加拉力。在一个实施方式中，拉力可以通过缠在应变计两端的线产生。在另一实施方式中，可以通过底部粘结将应变计安装在表面，在该实施方式中，该粘结用于向应变计传送形变/应力。

图4示出随施加的拉力变化的电阻。如图所示，非线性是由应变计长度增加的二次项(second-order term)所导致的，由于变形大因此应变计长度的增加不能被忽视。

实施例

本实施例的应变计通过用两层聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜包封导电性硅油和金属电极制得。以1∶10的混合比例混合固化剂和弹性体衬底制得PDMS(Dow Corning Sylgard 184)。首先，在硅片上涂覆PDMS混合物薄层，然后在真空室中脱气15分钟。然后在70℃烘箱中固化1小时。PDMS的厚度测定为约500μm。通过向硅油混合10～30wt％CDX-7055

(Columbian Chemicals，Co.出品)碳黑粉末或碳纳米管制得导电性硅油。首先在硅片一侧连接一对金属线，制造与应变计材料接触的电极。在具有设计了开口的预成形PDMS膜的PDMS膜上通过丝网印刷或压印涂覆导电性硅油。在导电性硅油上倾注PDMS混合物层，脱气，固化使其凝固以覆盖应变计材料。从硅衬底移除整个应变计。

图5示出了制造上述实施例的应变计的方法，其中在硅衬底上涂覆PDMS层，将其在70℃下固化1小时(图5(a))，在PDMS膜末端连接金属垫，通过丝网印刷涂覆一层碳黑掺杂的硅油(图5(b))，涂覆另一PDMS膜以覆盖碳黑掺杂硅油的同时，露出用于电连接的金属，然后在70℃固化1小时(图5(c))，从硅衬底除去应变计(图5(d))。

应变计利用导电流体作为压阻式应变计材料，向其施加拉力时引起的变形导致其电阻出现变化(图6)。可通过混合导电粉末和非导电聚合流体形成导电流体，例如将碳黑粉末与硅油混合。将混合流体填充聚合物或橡胶基通路，其伸长率可高达40％或以上。通路的两端与导线连接作为导线连接之用。向应变计施加拉力时，通路伸展，其横截面面积减少。这样使导电流体的电阻随着通路的形状而增加。电阻可以解释为导电流体通路的机械应变。

图6.为压阻式应变计使用了导电粉末掺杂的聚合流体作为应变计材料。施加拉力后，应变计长度增加，横截面面积减少。

基于电阻＝电阻率×长度/横截面面积，测量的电阻因此而增加，其解释为应变值。

使用图案化的SU-8光刻胶作为模具浇铸成结构明确的槽(图7)制得聚合物通路。制得的通路与另一层，即聚合物盖结合成为准备填充导电流体的气封空间。通过在两端插入注射针向通路注入导电流体，其中之一用于注入导电流体，另一注射针用于通气。在填充有导电流体的通路插入两条铜线，用环氧物质密封插入开口处以防止渗漏。完成的应变计准备好测试其随施加的力变化的电阻。

图7.为纳米流应变计的制造工艺：(a)在硅衬底上将SU-8光刻胶图案化，其作为形成聚合物通路的模具，(b)从成型聚合物通路除去SU-8图案化的硅衬底，(c)通过旋涂在硅片上形成聚合物膜。固化后，在氧等离子的表面活化下，聚合物膜与成型聚合物通路结合，(d)向封闭的聚合物通路的两端插入注射针。其中之一作为注入导电流体的注射入口之用，而另一注射针则用作通气孔。

本发明的应用

本发明可用于即时测量变形超过10％的物品，例如生物医学样品，其不能用传统的金属线应变计进行测量，因为传统的金属线应变计断裂前最多只能测量10％的伸长率。

本发明的优点

本发明用于制造应变计的金属线的最大伸长率限制为10％。尽管汞基应变计可测量更大的伸长率，但其对环境有害。本发明使用导电粉末掺杂聚合流体作为压阻式应变计材料，使该装置能够被用后处置。能够测量具有大变形(超过40％)的物品。与固体聚合物比较，流体聚合物的迟滞性小，其具有更好的响应时间而不用等待平衡。

测试数据

继续本发明的研究。降低装置的成本所用的批量制造方法需要进一步的研发。制造了使用碳黑粉末掺杂硅油作为压阻式应变计的初步原型，并对其进行测试。测量的电阻随施加的拉力线性地增加(图8)。图8.显示测量的拉力vs电阻具有线性关系。由于制造的原型结构其闭合空间没有盖，因此产生了误差。为了得到进一步的改进，将研发利用微制造技术制造的装置。

实际的生产和测试

首先，形成初步原型，使用硅橡胶上的槽保留导电流体而不加盖(图9)。在硅橡胶上形成2mm(深)×5mm(宽)×20mm(长)的槽，用于保留导电流体。在槽的两端插入铜线，用作与检测用的导电流体之间的电连接。将50wt％CDX-7055

(Columbian Chemicals，Co.出品)碳黑粉末与硅油混合制得导电流体。将混合导电流体施加到硅橡胶的槽中。将制得的应变计与夹(clip)连接，将其固定。利用带刻度的拉力计(scale)向应变计施加拉力(图9)。使用万用表测量应变计的电阻。

图9为制得的原型，其具有用硅橡胶承载的碳黑掺杂聚合物流体，该硅橡胶具有两条连接万用表的电线。两端用夹固定，连接到用于施加拉力的带刻度的拉力计。测量结果示于图8。

本发明通过参考附图得到详细说明，然而，应当明白，该具体实施方式不用于限制本发明，本领域技术人员可在本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。

在所附权利要求书的说明中，应当理解：

a)术语“含有”没有排除其它物质或所附权利要求列举的物质的存在；

b)说明物质时所用的术语“一种”并没有排除多种该物质的存在；

c)权利要求书出现的任何参照号不用于限制其范围；

d)除非另有说明，所公开的任何装置或其部分可与其它部分组合或分离成部分；且

e)除非另有说明，对于步骤的顺序没有特别要求。

Claims

1.使用掺杂聚合流体的压阻式应变计，其测量的伸长率可超过10％，所述应变计包括：

-硅衬底中的聚合物通路；

-插入所述通路中的掺杂聚合流体，所述掺杂聚合流体由非导电聚合物流体和导电粉末组成；以及

-所述聚合物通路两侧的电极。

2.如权利要求1所述的应变计，其中所述聚合物通路选自由丙烯酸酯/盐、丁基橡胶、碳氟化合物、氟硅氧烷、硫化物、丁二烯、苯乙烯丁二烯橡胶和树脂组成的组。

3.如权利要求1所述的应变计，其中所述非导电聚合物流体由式[R₂SiO]_n表示，其中R＝甲基、乙基或苯基，n为1～100的整数。

4.如权利要求1所述的应变计，其中所述导电粉末选自碳黑粉末或金属粉末。

5.如权利要求1所述的应变计，其中所述非导电聚合物流体和导电粉末以0.5∶1～1∶3的重量比混合。

6.如权利要求1所述的应变计，其中所述通路的体积为1μL或以上。

7.制造如权利要求1～6任一项所述的使用掺杂聚合流体的压阻式应变计的方法，其包括以下步骤：

-制造聚合物通路以形成槽；

-气封所述槽；

-在所述聚合物通路中插入通气孔；

-注入掺杂聚合流体；

-在通气孔和注射孔插入电极；以及

-密封所述孔。

8.如权利要求7所述的方法，其中使用负性光刻胶涂料制造聚合物通路。