CN101776495B - 基于微纳米纤维结构的触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微纳米纤维结构的触觉传感器及其制备方法。将具有压电或压阻特性的溶质材料与溶剂相混合以配备出具有压电或压阻敏感特性的，且同时适于拉伸的粘性溶液；利用微量注射泵将该溶液从微型针头中挤出，再通过操纵三维操作平台沿垂直方向运动，以制备出具有敏感特性的微纳米级直立悬空纤维，并利用硅橡胶材料对制备出的微纳米级直立悬空纤维阵列进行封装。相对于其他微触觉感知装置所采用的传统微加工技术，制备简单，用料节省，成本低廉；其直立纤维结构使触觉感知系统更加灵敏。

Description

基于微纳米纤维结构的触觉传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种触觉传感器及其制备方法，尤其是涉及一种基于微纳米纤维结构的触觉传感器及其制备方法。

背景技术

微纤毛感受器是一种普遍存在于动物世界的机械刺激感知系统。这些微纤毛感受器的直径范围从纳米尺寸到微米尺度，长度则从20微米到1.5毫米不等。利用这些微纤毛结构及与之相连的神经系统，动物可以感知外界的力刺激。随着微加工技术的不断提高，通过模拟生物微纤毛感知系统的人工微纤毛结构的研究，成为近年来传感器与微制造领域的一个研究热点，如美国与欧盟框架项目都相继投入大量的研究基金启动了美国卡耐基梅隆纳米机器人实验室的Nanofiber项目、伊利诺斯大学纳米制造实验室的Artificial hair receptor项目以及欧盟的Cilia项目等。

现有的触觉感知方法主要有电阻式、电容式、压电式及光学方法，而受制于传统的微加工方法限制，其敏感元件的形状多采用平板式或悬臂梁式，少数利用传统刻蚀方法加工成的直立式悬空结构则由于长宽比过小，降低了其敏感程度，且其加工工艺过于复杂。

拉伸成丝法和静电纺丝法都是常用的用于制备高极高长宽比的化学纤维的方法，但由于其长宽比过大，无法得到直立悬空结构；尤其是对于静电纺丝法来说，通常只能获得方向随意弯曲的、纤维连续的无纺垫结构，而无法在特定位置制备纤维机构。因此，有必要发展出新的聚合物微纳米级纤维制备方法，以达到在特定位置制备微纳米级的，具有直立式悬空结构的高长宽比功能性纤维的目的，从而提高触觉传感器的灵敏度，简化其制备过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微纳米纤维结构的触觉传感器及其制备方法，利用聚合物微纳米级纤维拉伸制备方法，模仿动物的微纤毛感知结构，在特定位置制备微纳米级的，具有直立式悬空结构的高长宽比功能性纤维作为机械感知器，从而提高触觉传感器的灵敏度，简化传感器的制备过程。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一、一种基于微纳米级直立纤维敏感结构的触觉传感器：

在基底中心安装底部大、而上部为圆锥状的具有压电特性的微纳米级直立悬空纤维或压阻特性的微纳米级直立悬空纤维，在微纳米级直立悬空纤维外对称包覆一组电极，用硅橡胶封装材料封装在基底上，两个电极分别用金属引线与设置在基底的各自外置金属电极连接。

所述一组电极是在圆锥状的具有压电特性的微纳米级直立悬空纤维段沿长度径向对称包覆。

所述一组电极是在圆锥状的具有压阻特性的微纳米级直立悬空纤维段轴向上下环形对称包覆。

二、一种基于微纳米级直立纤维敏感结构的触觉传感器的制备方法：

将具有压电或压阻特性的溶质材料与溶剂相混合以配备出具有压电或压阻敏感特性的，且同时适于拉伸的粘性溶液；利用微量注射泵将该溶液从微型针头中挤出，再通过操纵三维操作平台沿垂直方向运动，以制备出具有敏感特性的微纳米级直立悬空纤维，并利用硅橡胶材料对制备出的微纳米级直立悬空纤维阵列进行封装；该方法的具体步骤如下：

(1)常温下，采用聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液来获得具有压电特性的拉伸原料，采用聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液来获得具有压阻特性的拉伸原料；其混合质量比对于聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液，采用20％-35％；对于聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液，采用20％-30％；配制过程中采用搅拌方法以使溶质与溶剂充分混合，采用电磁搅拌、超声波搅拌或被动式混合器搅拌；

(2)将加热板固定于自动三维操作平台上，基底固定于加热板上，加热板保持摄氏70-80度，玻璃毛细管微型针头安装于手动三维操作平台上，该针头的前端垂直正对基底，后端与微量注射泵相连；调节手动三维操作平台以调整玻璃毛细管微型针头相对于基底的初始位置，同时使微量注射泵将溶液从玻璃毛细管微型针头中挤出到基底上，并使载有基底的自动三维操纵平台以加速运动方式向下移动，对挤出的溶液进行拉伸，其运动方式为匀加速直线运动或变加速直线运动；在拉伸的过程中，溶液中的溶剂蒸发，溶液发生固化，并最终使直立纤维的顶部与玻璃毛细管微型针头处的挤出溶液发生拉伸断裂，从而形成微纳米级直立悬空纤维；

(3)微纳米级直立悬空纤维包覆电极后，采用铸模方式对最终制备完成的微纳米级直立悬空纤维进行封装，将该微纳米级直立悬空纤维倒立置于装满乳胶状硅橡胶溶液的模具中，电极用导线引出，静置24小时，待硅橡胶成型后将整体拿出，形成最终的触觉传感器；

对于由聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液系统制备的具有压电特性的微纳纤维来说，在封装之前还需进行极化处理，其方法为，将基底连同其上的微纳米级直立悬空纤维一同置于由两金属极板和介电材料所组成纤维极化装置中，在金属电极间施加10kV电压，以完成纤维的极化后再包覆电极。

对于由聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液系统制备的具有压电特性的微纳纤维来说，其电极为沿长度径向对称包覆的电极，采用磁控溅射方法制备；对于由聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液系统制备的具有压阻特性的微纳纤维来说，其电极为轴向上下环形对称包覆的电极，采用磁控溅射方法制备。

与其它的微触觉感知装置相比，本发明具有的有益效果是：

本发明利用聚合物溶液的粘弹性特性，对其进行拉伸成丝，整个制备过程耗时短，效率高，相对于其他微触觉感知装置所采用的传统微加工技术，其制备流程大大简化；在材料方面仅用到少量的聚合物溶液，与传统微加工方法相比，成本更低；通过将多跟直立纤维集成为微纳米级纤维阵列，可以大大提高装置的触觉感知能力；与传统的基于硅材料的微加工工艺相比，采用拉伸方法制备的柔性聚合物直立纤维结构更适于作为触觉感知系统的敏感元件；所制备的微纳米级直立悬空纤维，直径一般为500纳米至30微米，具有压电或压阻特性。

附图说明

图1是聚合物微纳米级直立纤维拉伸制备实验台的示意图。

图2是聚合物微纳米级直立纤维拉伸制备工艺的流程示意图。

图3是具有压电效应的直立纤维极化装置示意图。

图4是基于压电效应微纳米级直立纤维敏感结构的触觉传感器结构的前视剖面图。

图5是基于压电效应微纳米级直立纤维敏感结构的触觉传感器结构的上视剖面图。

图6是基于压阻效应微纳米级直立纤维敏感结构的触觉传感器结构的前视剖面图。

图7是基于压阻效应微纳米级直立纤维敏感结构的触觉传感器结构的上视剖面图。

图中：1、操作台架，2、自动三维操作平台，3、加热板，4、微量注射泵，5、玻璃毛细管微型针头，6、柔性基底，7、手动三维操作平台，8、介电材料，9、金属电极，10、具有压电特性的微纳米级直立悬空纤维，11、外置金属电极，12、硅橡胶封装材料，13、纤维上的电极，14、金属引线，15、具有压阻特性的微纳米级直立悬空纤维，(a)拉伸前针头与基底的位置，(b)调节手动操作平台以初始化玻璃毛细玻璃管微型针头相对于基底的位置，(c)载有基底材料的自动三维操纵平台向下加速运动从而对挤出的溶液进行拉伸，(d)拉伸中由于溶液中的溶剂蒸发，材料发生固化，直至发生拉伸断裂，形成直立悬空式的纤维结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供一种基于微纳米纤维结构的触觉传感器，如图4、图6所示，在基底6中心安装底部大、而上部为圆锥状的具有压电特性的微纳米级直立悬空纤维10或压阻特性的微纳米级直立悬空纤维15，在微纳米级直立悬空纤维外对称包覆一组电极，用硅橡胶封装材料12封装在基底6上，两个电极分别用金属引线与设置在基底6的各自外置金属电极连接。

如图4、图5所示，所述一组电极13是在圆锥状的具有压电特性的微纳米级直立悬空纤维10段沿长度径向对称包覆。

如图6、图7所示，所述一组电极16是在圆锥状的具有压阻特性的微纳米级直立悬空纤维15段轴向上下环形对称包覆。

本发明提供一种基于微纳米纤维结构的触觉传感器的制备方法，包括感知系统所采用的敏感材料的配制，微纳米级直立悬空式纤维结构的拉伸制备方法及其纤维结构的后处理方法。通过将拉伸形成的玻璃毛细管微型针头安装于特制的连接器中，利用微量注射泵将溶有压电或压阻溶质的溶液从微型针头中以一定速率挤出，再通过操纵三维定位平台沿竖直方向运动，以在特定位置制备出具有敏感特性的微纳米级直立悬空纤维结构，并利用硅橡胶材料对制备出的微纳纤维阵列进行封装。通过适当选择溶液系统的溶质成分与溶剂成分，可以制备出具有压电或压阻敏感特性的，且同时适于拉伸的粘性流体；通过控制三维移动平台的速度特征及微型针头上溶液的温度和挤出速度，可以调整具有直立悬空结构的微纳米级压电纤维的结构特征。

如图1所示，微纳米级直立悬空纤维的拉伸制备平台由操作台架1、自动三维操作平台2，加热板3、基底6、微量注射泵4、玻璃毛细管微型针头5以及手动三维操作平台7组成。首先将加热板3固定于自动三维操作平台2上，加热板的温度保持为摄氏70-80度，其上载有用于制备直立纤维的基底6，其材料为聚酰亚胺。玻璃毛细管微型针头5夹持安装于手动操作平台7上，该针头的前端垂直正对基底，后端与微量注射泵4相连，自动三维操作平台2和手动三维操作平台7均安装在操作台架1上。

直立悬空纤维的敏感特性可为压电式或压阻式。常温下，采用聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液来获得具有压电特性的拉伸原料，采用聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液来获得具有压阻特性的拉伸原料；其混合质量比与溶液系统的初始粘度的关系可用下式来描述，

$\mathrm{\μ}=a{e}^{(\frac{b}{T}+\mathrm{cw})}$

其中，μ为溶液系统的初始粘度，w为溶液系统中溶质的质量分数，T为环境温度。a，b，c为常数，由溶液系统的成分所确定。根据该式的描述，为使溶液系统具有适于拉伸制备微纳米级直立纤维结构的流变学特性，其混合质量比对于聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液，采用20％-35％；对于聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液，采用20％-30％；配制过程中采用超声波搅拌方法以使溶质与溶剂充分混合，充分混合需要的时间由于溶液浓度的不同而不同，如下表所示：

微纳米级直立悬空纤维的制备流程如图2所示。首先调节手动操作平台以调整玻璃毛细管微型针头相对于基底材料的初始位置。待针头位置设定完毕后，锁定手动操作平台，同时使微量注射泵将溶液从微型针头5中挤出到基底6之上。由于制备过程中纤维的形成主要受拉伸力影响，微量注射泵的挤出速率对纤维的最终成型影响不大，实验中通常采用1微升/小时的挤出速率。待挤出的溶液与基底材料结合并固化之后，载有基底的自动三维操纵平台以匀加速运动方式向下移动，从而对挤出的溶液进行拉伸，在拉伸的过程中，溶液中的溶剂蒸发，材料发生固化，并最终使直立纤维的顶部与玻璃毛细管针头处的挤出溶液发生拉伸断裂，最终形成的微纳米级直立悬空纤维。

当采用低浓度溶液配方时(三维移动平台加速度为2mm/m²，聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液，混合质量比20％；聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液，混合质量比20％)，更易形成高度较短但平均直径为纳米级的纤维结构，整体高度为1毫米，锥端平均直径约为500纳米；当采用高浓度溶液配方时(三维移动平台加速度为10mm/m²，聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液，混合质量比35％；聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液，混合质量比30％)，更易形成高度较高但平均直径为微米级的纤维结构，整体高度为10毫米，锥端平均直径约为30微米；

对于由聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液制备的具有压电特性的微纳纤维，在封装之前还需进行极化处理以提高其压电系数，其方法如图3所示。将基底6连同其上的微纳米级直立悬空纤维10一同置于由两金属极板9和介电材料8所组成的纤维极化装置中，在金属电极间施加10kV电压，持续约1小时，在完成纤维的极化后再进行电极制备。而对于由聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液制备的具有压阻特性的微纳纤维，无需进行极化处理，可直接进行电极制备。

所有电极均采用磁控溅射的方法进行制备。对于由聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液制备的具有压电特性的微纳纤维，如图4、图5所示，其电极13是在具有压电特性的圆锥状直立悬空纤维10段沿长度径向对称包覆。而对于由聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液制备的具有压阻特性的微纳纤维，如图6、图7所示，其电极16是在具有压阻特性的圆锥状的直立悬空纤维15段轴向上下环形对称包覆。

在完成微纳米级直立悬空纤维包覆电极后，采用铸模方式对最终制备完成的微纳米级直立悬空纤维进行封装。首先将该微纳米级直立悬空纤维倒立置于装满乳胶状硅橡胶溶液的模具中，电极用金属导线14引出，静置24小时，待硅橡胶12成型后将整体拿出，形成最终的触觉传感器，如图4、图6所示。

Claims (3)

1.一种基于微纳米级直立纤维敏感结构的触觉传感器的制备方法，其特征在于：将具有压电或压阻特性的溶质材料与溶剂相混合以配备出具有压电或压阻敏感特性的，且同时适于拉伸的粘性溶液；利用微量注射泵将该溶液从微型针头中挤出，再通过操纵三维操作平台沿垂直方向运动，以制备出具有敏感特性的微纳米级直立悬空纤维，并利用硅橡胶材料对制备出的微纳米级直立悬空纤维阵列进行封装；该方法的具体步骤如下：

(1)常温下，采用聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液来获得具有压电特性的拉伸原料，采用聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液来获得具有压阻特性的拉伸原料；其混合质量比对于聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液，采用20％-35％；对于聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液，采用20％-30％；配制过程中采用搅拌方法以使溶质与溶剂充分混合，采用电磁搅拌、超声波搅拌或被动式混合器搅拌；

(2)将加热板(3)固定于自动三维操作平台(2)上，基底(6)固定于加热板(3)上，加热板(3)保持摄氏70-80度，玻璃毛细管微型针头(5)安装于手动三维操作平台(7)上，该针头的前端垂直正对基底(6)，后端与微量注射泵(4)相连；调节手动三维操作平台(7)以调整玻璃毛细管微型针头(5)相对于基底(6)的初始位置，同时使微量注射泵(4)将溶液从玻璃毛细管微型针头(5)中挤出到基底(6)上，并使载有基底(6)的自动三维操作平台(2)以加速运动方式向下移动，对挤出的溶液进行拉伸，其运动方式为匀加速直线运动或变加速直线运动；在拉伸的过程中，溶液中的溶剂蒸发，溶液发生固化，并最终使直立纤维的顶部与玻璃毛细管微型针头(5)处的挤出溶液发生拉伸断裂，从而形成微纳米级直立悬空纤维；

(3)微纳米级直立悬空纤维包覆电极后，采用铸模方式对最终制备完成的微纳米级直立悬空纤维进行封装，将该微纳米级直立悬空纤维倒立置于装满乳胶状硅橡胶溶液的模具中，电极用导线引出，静置24小时，待硅橡胶成型后将整体拿出，形成最终的触觉传感器。

2.根据权利要求1所述的一种基于微纳米级直立纤维敏感结构的触觉传感器的制备方法，其特征在于：对于由聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液系统制备的具有压电特性的微纳纤维来说，在封装之前还需进行极化处理，其方法为，将基底连同其上的微纳米级直立悬空纤维一同置于由两金属极板和介电材料所组成纤维极化装置中，在金属电极间施加10kV电压，以完成纤维的极化后再包覆电极。

3.根据权利要求2所述的一种基于微纳米级直立纤维敏感结构的触觉传感器的制备方法，其特征在于：对于由聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液系统制备的具有压电特性的微纳纤维来说，其电极为沿长度径向对称包覆的电极，采用磁控溅射方法制备；对于由聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液系统制备的具有压阻特性的微纳纤维来说，其电极为轴向上下环形对称包覆的电极，采用磁控溅射方法制备。

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