(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211087420.9 (22)申请日 2022.09.07 (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区清华园1号 (72)发明人 沈洋　范友军　任伟斌　 (74)专利代理 机构 北京清亦华知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11201 专利代理师 顾鲜红 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) G01B 7/16(2006.01) G01L 1/14(2006.01) G01L 9/12(2006.01) (54)发明名称 应力-应变双 模态可识别柔性传感器及其制 备方法和应用 (57)摘要 本发明公开了一种应力 ‑应变双模态可识别 柔性传感器及其制备方法和应用。 该传感器包括 应变传感器、 压力传感器和引线， 应变传感器包 括弹性高介电复合材料薄膜和插齿电极； 压力传 感器包括弹性复合材料薄膜和弹性背电极， 弹性 复合材料薄膜包括金字塔阵列材料和弹性基体， 弹性基体的弹性模量大于金字塔阵列材料的弹 性模量， 金字塔阵列材料设在弹性基体的表面上 且位于弹性高介电复合材料薄膜的下方， 弹性背 电极设在弹性基体上远离金字塔阵列材料的一 侧表面上； 引线分别与插齿电极的两端相连和弹 性背电极相连。 该传感器可以分别探测压力和应 变性能， 同时实现两种探测信号解耦识别， 并定 量计算出在复合变形中基体所承受的应变和压 力大小。 权利要求书2页 说明书8页 附图2页 CN 115307686 A 2022.11.08 CN 115307686 A 1.一种应力 ‑应变双模态可识别柔 性传感器， 其特 征在于， 包括： 应变传感器， 所述应变传感器包括弹性高介电复合材料薄膜和插齿电极， 所述插齿电 极设在所述弹性高介电复合材 料薄膜的表面上； 压力传感器， 所述压力传感器包括弹性复合材料薄膜和弹性背电极， 所述弹性复合材 料薄膜包括金字塔阵列材料和弹性基体， 所述弹性基体的弹性模量大于所述金字塔阵列材 料的弹性模量， 所述金字塔阵列材料设在所述弹性基体的表面上且位于所述 弹性高介电复 合材料薄膜的下方， 所述 弹性背电极设在所述弹性基体上远离所述金字塔阵列材料的一侧 表面上； 引线， 所述引线包括第一引线、 第 二引线和第 三引线， 所述第一引线和所述第 二引线分 别与所述插齿电极的两端相连， 所述第三引线与所述弹性背电极相连。 2.根据权利要求1所述的传感器， 其特征在于， 所述弹性高介电复合材料薄膜包括层叠 布置的纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电基弹性复合薄膜， 并且所述 弹性高介电复合材 料薄膜的最上层为所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜， 其中， 所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜包括纳米陶瓷材料和弹性聚合物材料， 所述纳米 陶瓷材料在所述弹性聚合物材 料中呈三维网络结构分布； 所述纳米导电基弹性复合薄膜包括纳米导电材料和弹性 聚合物材料， 所述纳米导电材 料在所述弹性聚合物材 料中呈三维网络结构分布。 3.根据权利要求2所述的传感器， 其特征在于， 所述插齿电极包括弹性 聚合物材料和纳 米导电材 料； 任选地， 所述弹性背电极的材 料包括弹性聚合物材 料和纳米导电材 料。 4.根据权利要求2或3所述的传感器， 其特征在于， 所述弹性聚合物材料包括聚氨酯和 苯乙烯‑乙烯‑丁烯‑苯乙烯嵌段共聚物中的至少之一； 任选地， 所述纳米陶瓷材料包括钛酸钡纳米颗粒、 钛酸钡纳米棒、 锆钛酸钡纳米颗粒、 锆钛酸钡纳米棒、 锆钛 酸铅纳米颗粒和锆钛 酸铅纳米棒中的至少之一； 任选地， 所述纳米导电材料包括银纳米颗粒、 银纳米线、 碳纳米管和石墨烯中的至少之 一。 5.根据权利要求1所述的传感器， 其特征在于， 所述弹性高介电复合材料薄膜的厚度为 10‑100 μm； 任选地， 所述插齿电极的厚度为10 ‑40 μm； 任选地， 所述金字塔阵列材 料的高度为10 ‑50 μm， 所述弹性基 体的厚度为10 ‑50 μm； 任选地， 所述弹性背电极的厚度为10 ‑40 μm。 6.根据权利要求1所述的传感器， 其特征在于， 所述金字塔阵列材料的弹性模量为0.1 ‑ 0.8MPa， 所述弹性基 体的弹性模量 为2.0‑4.5MPa； 任选地， 所述金字塔阵列 材料包括 聚二甲基硅氧烷和脂肪族芳香族共聚酯中的至少之 一； 任选地， 所述弹性基体包括聚氨酯、 纳米材料和碳纤维， 其中纳米材料包括碳酸钡和锆 钛酸钡中的至少之一。 7.根据权利要求1所述的传感器， 其特征在于， 所述弹性基体的泊松比小于所述金字塔 阵列材料的泊松比；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115307686 A 2任选地， 所述弹性基 体的泊松比为0.15～0.3； 任选地， 所述金字塔阵列材 料的泊松比为0.4～0.5 。 8.根据权利要求1、 5、 6或7所述的传感器， 其特征在于， 所述金字塔阵列材料中的金字 塔的密度为 400‑2500个/mm2。 9.一种制备权利要求1 ‑8中任一项所述的应力 ‑应变双模态可识别柔性传感器的方法， 其特征在于， 包括： (1)在弹性高介电复合材 料薄膜上表面设置插齿电极， 以便得到应 变传感器； (2)在弹性复合材料薄膜背面结合弹性背电极， 以便得到压力传感器， 所述弹性复合材 料薄膜包括金字塔阵列材料和弹性基体， 所述弹性基体的弹性模量大于所述金字塔阵列材 料的弹性模量， 所述金字塔阵列材 料设在所述弹性基 体的表面上； (3)将所述应变传感器粘附在所述压力传感器上表面， 所述压力传感器的金字塔 阵列 材料与所述应变传感器的弹性高介电复合材料薄膜接触， 并且分别 在插齿电极和弹性背电 极上连接引线， 以便得到柔 性传感器。 10.一种机器人， 其特征在于， 所述机器人包括权利要求1 ‑8中任一项所述柔性传感器 或采用权利要求9所述方法得到的柔 性传感器。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115307686 A 3