CN106595940A - 一种柔性多功能传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性多功能传感器，自上而下依次为上柔性薄膜层、上电极层、柔性敏感材料、下电极层和下柔性薄膜层，其中，所述柔性敏感材料由高分子基体材料、导电填料和纳米改性填充剂组成。本发明提供的新型的柔性多功能传感器可作为触觉仿生传感器使用，该传感器可以同时实现对压力和弯曲度的感知，且其制备工艺简单、成本低廉、易于实现大规模生产，为可穿戴设备、机器人等提供了一种柔性、成本低廉的触觉仿生传感器。

Description

一种柔性多功能传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及多功能传感器技术，具体涉及仿生学人工皮肤、人机交互感知、柔性复合敏感材料等领域，可用于工业生产、智能穿戴设备的压力以及弯曲度的感知。
背景技术
皮肤是人体最大的感觉器官，可以感知压力、弯曲等变化。触觉仿生传感器是一种模仿人体皮肤的仿生学传感器，可以感知压力、弯曲度等各项参数的变化，通过信号采集电路和程序的处理，可识别出人体不同的手势、动作、行为特征等。
随着现代MEMS技术和工艺的快速发展，各种复合传感器如雨后春笋般涌现，在虚拟现实系统中，各种体感手套已被广泛应用。韩国的仿生工程师已成功研制出一种人造皮肤，这种新型的人造皮肤不仅像真正的皮肤一样极具弹性，而且除了感知压力外，还能对弯曲度、温度等变化做出反应，这就对人造皮肤的材料及传感器提出了更高的要求。该人造皮肤是一种基于纳米技术制造的超薄单晶硅，通过装配压力和温湿度传感器复合而成的，皮肤下是用于神经刺激的阻压加热器和可伸缩的多电极矩阵。然而，单晶硅材料脆性较大，容易断裂，而且在内部装配压力和温湿度传感器会影响人造皮服的柔韧性，且造价高昂，限制了这类人造皮肤的广泛应用。中国科学院物理所提出了一种利用纳米石墨烯隧穿效应的人造皮肤及其制备方法，美国Tekscan公司也有柔性的触摸传感器产品，然而这两种传感器仅仅只能感知压力的变化，需要装配额外的弯曲度、温度传感器才能感知多种参数的变化。目前，还没有一种触觉仿生传感器可以在具有很高柔韧性的同时还能同时检测压力、弯曲度的变化，这是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种新型的柔性多功能传感器及其制备方法，可作为触觉仿生传感器使用，该传感器可以同时实现对压力和弯曲度的感知，且其制备工艺简单、成本低廉、易于实现大规模生产，为可穿戴设备、机器人等提供了一种柔性、成本低廉的触觉仿生传感器。
本发明的技术方案如下：
一种柔性多功能传感器，如图1所示，自上而下依次为上柔性薄膜层1、上电极层2、柔性敏感材料3、下电极层4和下柔性薄膜层5，其中，所述柔性敏感材料3由高分子基体材料、导电填料和纳米改性填充剂组成。
进一步地，所述柔性敏感材料3由高分子基体材料、导电填料和纳米改性填充剂组成，其中，高分子基体材料为PI(聚酰亚胺)、TPU(热塑性聚氨酯弹性体)或PVDF(聚偏氟乙烯)等，导电填料为粒径为10～30nm的炭黑、碳纳米管、Ag粉或石墨烯等，纳米改性填充剂为粒径为10～30nm的SiO2(二氧化硅)、玻璃纤维或Al2O3等。
进一步地，所述柔性敏感材料3由高分子基体材料、导电填料和纳米改性填充剂组成，其中，高分子基体材料、导电填料和纳米改性填充剂三者的质量分数分别为：高分子基体材料87wt％-96wt％，导电填料2wt％-7wt％，纳米改性填充剂2wt％-6wt％。
进一步地，所述柔性敏感材料3的制备过程具体为：首先，将0.25g-0.5g粒径为10～30nm的导电填料、0.4g-0.6g粒径为10～30nm的纳米改性填充剂和9g-9.5g的高分子基体材料加入100mL有机分散剂中配成混合溶液；然后，在常温常压下，采用超声波分散仪将上述混合溶液超声分散20min、磁力搅拌20min，重复“超声分散20min、磁力搅拌20min”10次以上，以使导电填料颗粒、纳米改性填充剂和高分子基体材料在分散剂中充分分散均匀；最后，将分散混合均匀得到的混合溶液均匀涂覆于下柔性薄膜层5上，并在40～150℃温度下加热2～3h进行固化，得到厚度为50μm～200μm的柔性敏感层。
进一步地，上述有机分散剂为二甲基乙酰胺DMA或二甲基甲酰胺DMF等。
进一步地，所述柔性敏感材料的厚度为50μm～200μm。
进一步地，所述上柔性薄膜层1和下柔性薄膜层5为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PVDF(聚偏氟乙烯)或PI(聚酰亚胺薄膜)等。
进一步地，所述上电极层2和下电极层4为金、银或铜等金属导体。
进一步地，所述上柔性薄膜层1、下柔性薄膜层5可以采用与柔性敏感材料中的基体材料相同的高分子材料，如PI(聚酰亚胺)或PVDF(聚偏氟乙烯)等。
本发明还提供了上述柔性多功能传感器作为触觉仿生传感器的应用。
本发明柔性多功能传感器的原理如下：
本发明柔性多功能传感器中采用由高分子基体材料、导电填料和纳米改性填充剂组成的柔性敏感材料作为敏感层，当受到压力、弯曲变化时，敏感层的电阻发生变化，通过测量敏感层的电阻大小即可得知压力大小和弯曲程度。
敏感材料中的导电填料颗粒既互相粘连又互相隔离，导电颗粒之间既有直接接触形成的导电通道也有由于纳米导电颗粒之间的隧道电流形成的导电通道。当敏感材料受到来自垂直方向的压力时，高分子基体材料中的导电颗粒距离变近，直接接触的导电颗粒变多，未直接接触的导电颗粒之间隧道电流变大，从而使得敏感材料的电阻减小。其电阻-压力变化曲线如图2所示。
当敏感材料由于弯曲作用引起横向的应变时，若敏感材料发生拉伸应变，则导电颗粒之间的距离变远，隧道电流减小，敏感材料的电阻会增大；若敏感材料发生压缩应变，则导电颗粒之间的距离变短，隧道电流增大，导致敏感材料的电阻会减小。弯曲度导致的电阻变化率随弯曲角度的变化如图3所示。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出的一种新型的柔性多功能传感器仅采用一种复合敏感薄膜材料就可同时实现对压力和弯曲度的感知，可作为触觉仿生传感器使用。
2、本发明提出的一种新型的柔性多功能传感器具有优良的弹性，抗压和耐高温等特性，为可穿戴设备、机器人等提供了一种柔性、成本低廉的触觉仿生传感器。
3、本发明柔性多功能传感器中上下柔性薄膜层可以采用与柔性敏感材料中的基体材料相同的高分子材料，有效避免了不同材料由于热膨胀系数的差异导致的衬底材料与敏感层失配而使敏感层脱落的问题。
4、本发明柔性多功能传感器制备工艺简单、成本低廉、易于实现大规模生产。
附图说明
图1为本发明提供的一种柔性多功能传感器的结构示意图；其中，1为上柔性薄膜层，2为上电极层，3为柔性敏感材料，4为下电极层，5为下柔性薄膜层；
图2为本发明实施例得到的柔性多功能传感器的电阻-压力变化曲线；
图3为本发明实施例得到的柔性多功能传感器的电阻变化率-弯曲度变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
如图1所示，为本发明提供的一种柔性多功能传感器，自上而下依次为上柔性薄膜层1、上电极层2、柔性敏感材料3、下电极层4和下柔性薄膜层5，其中，所述柔性敏感材料3由高分子基体材料、导电填料和纳米改性填充剂组成。
上述柔性多功能传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：取两片形状大小相同的PI(聚酰亚胺)薄膜分别作为上、下柔性薄膜层，采用去离子水清洗表面10min，并置于氮气气氛下干燥；
步骤2：在步骤1清洗后的两片PI薄膜上分别采用磁控溅射法形成厚度均为2μm的上电极层2、下电极层4和引出导线，溅射的金属材料为铜，其中，上、下电极层均为直径8mm的圆，引出导线的线宽为1mm，如图1所示；
步骤3：取0.25g粒径为10～30nm的炭黑导电材料、0.5g粒径为10～30nm的纳米改性填充剂二氧化硅和9.25g高分子基体材料PI(聚酰亚胺)置于100mL有机分散剂二甲基乙酰胺DMA中配成混合溶液；
步骤4：在常温常压下，采用超声波分散仪将步骤3得到的混合溶液超声分散20min、磁力搅拌20min，重复上述“超声分散20min、磁力搅拌20min”10次以上，以使导电填料颗粒、纳米改性填充剂和高分子基体材料在分散剂中充分分散均匀；
步骤5：将步骤4得到的混合溶液均匀涂覆于下柔性薄膜层5上，并在60℃温度下加热2～3h进行固化，得到厚度为100μm的柔性敏感层；
步骤6：采用双组分丙烯酸高黏胶将带上电极层的上柔性薄膜层1和带下电极、柔性敏感层的下柔性薄膜层5粘合封装，得到图1所示的柔性多功能传感器。
图2为实施例得到的柔性多功能传感器的电阻-压力变化曲线；由图2可知，实施例得到的传感器的电阻随压力变化曲线线性度很好，变化范围在7MΩ到10kΩ之间，变化范围大。图3为实施例得到的柔性多功能传感器的电阻变化率-弯曲度变化曲线；由图3可知，实施例得到的传感器的电阻随弯曲度变化线性度很好，而且当弯曲度在0-180度间变化时，电阻变化率能达到100％以上。因此，本申请得到的柔性多功能传感器可同时实现对压力和弯曲度的感知，可作为触觉仿生传感器使用。

Claims (9)

1.一种柔性多功能传感器，自上而下依次为上柔性薄膜层(1)、上电极层(2)、柔性敏感材料(3)、下电极层(4)和下柔性薄膜层(5)，其中，所述柔性敏感材料(3)由高分子基体材料、导电填料和纳米改性填充剂组成。
2.根据权利要求1所述的柔性多功能传感器，其特征在于，所述高分子基体材料为PI、TPU或PVDF；所述导电填料为粒径为10～30nm的炭黑、碳纳米管、Ag粉或石墨烯；所述纳米改性填充剂为粒径为10～30nm的SiO2、玻璃纤维或Al2O3。
3.根据权利要求1所述的柔性多功能传感器，其特征在于，所述高分子基体材料的质量分数为：87wt％-96wt％，导电填料的质量分数为2wt％-7wt％，纳米改性填充剂的质量分数为2wt％-6wt％。
4.根据权利要求1所述的柔性多功能传感器，其特征在于，所述柔性敏感材料的制备过程具体为：首先，将0.25g-0.5g粒径为10～30nm的导电填料、0.4g-0.6g粒径为10～30nm的纳米改性填充剂和9g-9.5g的高分子基体材料加入100mL有机分散剂中配成混合溶液；然后，在常温常压下，采用超声波分散仪将上述混合溶液超声分散20min、磁力搅拌20min，重复“超声分散20min、磁力搅拌20min”10次以上，以使导电填料颗粒、纳米改性填充剂和高分子基体材料在分散剂中充分分散均匀；最后，将分散混合均匀得到的混合溶液均匀涂覆于下柔性薄膜层上，并在40～150℃温度下加热2～3h进行固化，得到厚度为50μm～200μm的柔性敏感层。
5.根据权利要求4所述的柔性多功能传感器，其特征在于，所述有机分散剂为二甲基乙酰胺或二甲基甲酰胺。
6.根据权利要求1所述的柔性多功能传感器，其特征在于，所述柔性敏感材料的厚度为50μm～200μm。
7.根据权利要求1所述的柔性多功能传感器，其特征在于，所述上柔性薄膜层(1)和下柔性薄膜层(5)为PDMS、PVDF或PI。
8.根据权利要求1所述的柔性多功能传感器，其特征在于，所述上电极层和下电极层为金、银或铜。
9.权利要求1至8中任一项所述柔性多功能传感器作为触觉仿生传感器的应用。
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