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CN111198052A - 一种可变形液态传感器 - Google Patents

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CN111198052A CN202010037464.5A CN202010037464A CN111198052A CN 111198052 A CN111198052 A CN 111198052A CN 202010037464 A CN202010037464 A CN 202010037464A CN 111198052 A CN111198052 A CN 111198052A
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刘静
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    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
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Abstract

一种可变形液态传感器，包括柔性封装层，柔性封装层为带有两个开孔的腔室，在腔室中封装有电解质溶液，电解质溶液中有液态金属液滴，在两个开孔处引出导线接入电路部分，并分别以密封塞密封，在外力和外加磁场作用下液态金属液滴做出响应并发生形态上的改变，该改变转化成电学信号的变化量，实现监测功能。本发明利用液态金属的形变和特殊的电磁响应，使液态金属液滴可以对外界环境的变化做出响应，从而达到传感效果，且其可变形程度比普通的柔性传感器更高。本发明具有很高自由度，可发生大程度的形变，高度模仿生物体内的工作形态，突破了传统柔性传感器的限制。本发明可实现在液态环境下的生物传感，为应用在生物体内的传感器提供了新思路。

Description

一种可变形液态传感器
技术领域
本发明属于传感器以及液态金属技术领域，涉及液态传感器，特别涉及一种可变形液态传感器。
背景技术
传感器在生物医学领域具有重要应用，可穿戴设备、生物医学检测和柔性机器人等方面，都需要使用传感器。常用的传感器根据原理可分为电阻式传感器、电容式传感器和电化学传感器等；根据应用途径则可以分为力学传感器、温度传感器和生物传感器等。
随着可穿戴及植入式医疗器件的兴起，传统的刚性传感器已经不能满足需求，因此柔性传感器得到广泛关注并成为重要的研究方向。柔性传感器具有良好的贴合性，可以提高植入或者穿戴器件的舒适性，同时可以准确的检测待测量部位的变化，提高精确度和灵敏度。
现有的柔性传感器工作原理一般是以柔性材料为基底，将液态金属绘制成特定的电路信号。目前基于液态金属的柔性传感器主要包括压力传感器和应力传感器，其工作原理是电路在外力的作用下发生形变，从而导致电阻或者电容的变化。然而，这种柔性传感器的原理比较单一，在高度形变的情况下，还是会出现断路等情况。本发明提出的液态传感器具有更高的自由度，且能够更好的适应人体内的液态环境，在人体健康监测和机器人等方面蕴含巨大潜力。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可变形液态传感器，将液态金属液滴封装在柔性材料中，并与外电路连接。液态金属在外力或者外磁场的作用下发生形变，最终引起电流的变化，达到传感的效果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可变形液态传感器，包括柔性封装层1，柔性封装层1为带有两个开孔的腔室，在腔室中封装有液态金属液滴3和电解质溶液4，在所述两个开孔处引出导线接入电路部分5，导线和液态金属直接接触，并分别以密封塞2密封，密封塞2同时起固定导线位置的作用，在外力和外加磁场作用下液态金属液滴3做出响应并发生形态上的改变，该改变转化成电学信号的变化量，实现监测功能。
所述柔性封装层1由弹性高于设定值的聚合物制成，厚度为100微米。常用的聚合物材料包括EcoFlex和PDMS等。
所述密封塞2由密封性和粘合性能高于设定值的胶体材料制成，如乳胶等。
所述液态金属液滴3为镓及其合金。
所述液态金属液滴3为共晶镓铟合金，由质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成。
所述液态金属液滴3为聚在一起的单颗液滴，直径为5-10毫米，通过注射器注射直接获得。
所述液态金属液滴3和电解质溶液4的体积比为4:1。
所述电解质溶液4为氢氧化钠溶液。
所述电路部分5包括电源、电阻、电流表和导线，或直接由电源、电阻、电流表和导线组成。
所述电源为电池或信号发生器，为整体电路提供电信号；所述电流表用于测量外界环境对液态金属液滴3的影响导致的电流变化，导线用于连通电路中元件与液态金属液滴3。导线末端为尖峰结构，能够刺穿封装层1并与液态金属液滴3接触，同时由密封塞2密封并固定导线位置。
本发明可变形液态传感器与其他基于镓铟合金的柔性传感器不同，不再将液态金属绘制成特定的电路信号，而是直接使用液态金属的液滴，作为传感器的感应单元。由于液态金属具有良好的电磁响应，在外加作用力、磁场的情况下，液态金属会发生形态上的变化，引起电路电阻的改变，从而反映在电流的变化上。与普通柔性传感器相比，液态传感器具有更好的可变形性，可以较好的模拟生物体的液态环境。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明在外力按压作用下液态金属液滴的变化示意图。
图3是本发明在外加磁场作用下液态金属液滴的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明一种可变形液态传感器，包括柔性封装层1，柔性封装层1为带有两个开孔的腔室，在腔室中封装有液态金属液滴3和电解质溶液4，在所述两个开孔处引出导线接入电路部分5，导线和液态金属直接接触，并分别以密封塞2密封，密封塞同时起固定导线位置的作用，在外力和外加磁场作用下液态金属液滴3做出响应并发生形态上的改变，该改变转化成电学信号的变化量，实现监测功能。
具体而言，柔性封装层1用于封装液态金属液滴3，一般由弹性较好的聚合物制成，厚度为100微米。常用的聚合物材料包括EcoFlex和PDMS等。
密封塞2用于封锁两侧的开口，防止封装层内的电解质溶液4和液态金属液滴3泄露，由密封性和粘合力高于设定值的胶体材料等制成，如乳胶等。
液态金属液滴3为镓及其合金，通常是指共晶镓铟合金，由质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成。液态金属微液滴的直径一般为5-10毫米，可通过注射器注射直接获得。
电解质溶液4一般指氢氧化钠溶液。镓及其合金在空气中会被迅速氧化，形成氧化层。封装时采用氢氧化钠溶液，一方面可以去除表面的氧化层，另一方面可以增加溶液的导电性。本实施例中，液态金属液滴3和电解质溶液4的体积比为4:1。
电路部分5包括电源、电阻、电流表和导线，或直接由电源、电阻、电流表和导线组成。电源可以是电池、信号发生器等，为整体电路提供电信号。电阻起保护电路的作用。电流表用于测量外界环境对液态金属液滴3的影响导致的电流变化。导线为常用导线，主要作用是连通电路元件与液态金属液滴3。
本发明传感器实现了从刚性到柔性再到液态的突破，能够更好的模拟生物体内环境。使用之前，将液态金属液滴3与电源、电阻、电流表相连。连通电路之后，液态金属液滴3处于平衡状态时，电流表将显示一个电流值。改变电路的位置将打破液态金属液滴3原始的平衡，导致电流发生变化。同理，施加外力按压或者外置磁场，液态金属液滴3的电阻也会发生变化，引起电流改变。
本发明传感器可实现在液态环境下的生物传感，为应用在生物体内的传感器提供了一种新的思路。生物体内的细胞和组织等均处于液态的环境之中。此传感器高度模拟了生物的体内环境，液态金属液滴3就像一个细胞，可以对外界环境作出响应，同时其形态不受约束，可以发生较大程度的形变。
本发明可变形液态传感器在使用过程中，主要基于该液态金属液滴3对外力和外磁场做出响应，从而发生形态上的改变，并转化成电学信号的变化，实现监测功能。如图2所示，在外力按压作用下，液态金属液滴3将向外侧扩张而变得扁平，导致电阻发生变化，电流的大小随之改变。图3展示的是外加磁场6情况下液滴的变化，在外磁场作用下，液滴将由液态转变成固体，同样引起电阻和电流的变化。
综上所述，本发明提出了一种可变形液态传感器，利用液态金属的形变和特殊的电磁响应，使液态金属液滴可以对外界环境的变化做出响应，从而达到传感的作用。同时由于其处于液体环境之中，其可变形程度比普通的柔性传感器更高。。本系统可实现在液态环境下的生物传感，为应用在生物体内的传感器提供了一种新的思路。此液态传感器具有很高的自由度，可以发生较大程度的形变，高度模仿了生物体内的工作形态，突破了传统的柔性传感器的限制。
以上所述的仅是本发明优选实施方案，该液态金属表面双电层特性的检测系统的各组成部分，即柔性封装层1、密封塞2、液态金属液滴3、电解质溶液4和电路部分5等参数(如材质、尺寸及形状等)均可根据实验的需要进行修改。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可变形液态传感器，其特征在于，包括柔性封装层(1)，柔性封装层(1)为带有两个开孔的腔室，在腔室中封装有液态金属液滴(3)和电解质溶液(4)，在所述两个开孔处引出导线接入电路部分(5)，导线和液态金属直接接触，并分别以密封塞(2)密封，在外力和外加磁场作用下液态金属液滴(3)做出响应并发生形态上的改变，该改变转化成电学信号的变化量，实现监测功能。
2.根据权利要求1所述可变形液态传感器，其特征在于，所述柔性封装层(1)由弹性高于设定值的聚合物制成，厚度为100微米。
3.根据权利要求1所述可变形液态传感器，其特征在于，所述密封塞(2)由密封性能高于设定值的橡胶材料制成。
4.根据权利要求1所述可变形液态传感器，其特征在于，所述液态金属液滴(3)为镓及其合金。
5.根据权利要求1所述可变形液态传感器，其特征在于，所述液态金属液滴(3)为共晶镓铟合金，由质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成。
6.根据权利要求1或4或5所述可变形液态传感器，其特征在于，所述液态金属液滴(3)为聚在一起的单颗液滴，直径为5-10毫米，通过注射器注射直接获得。
7.根据权利要求1所述可变形液态传感器，其特征在于，所述液态金属液滴(3)和电解质溶液(4)的体积比为4:1。
8.根据权利要求1所述可变形液态传感器，其特征在于，所述电解质溶液(4)为氢氧化钠溶液。
9.根据权利要求1所述可变形液态传感器，其特征在于，所述电路部分(5)包括电源、电阻、电流表和导线，或直接由电源、电阻、电流表和导线组成。
10.根据权利要求9所述可变形液态传感器，其特征在于，所述电源为电池或信号发生器，为整体电路提供电信号；所述电流表用于测量外界环境对液态金属液滴(3)的影响导致的电流变化，导线用于连通电路中元件与液态金属液滴(3)，导线末端为尖峰结构，能够刺穿封装层(1)并与液态金属液滴(3)接触，同时由密封塞(2)密封并固定导线位置。
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