CN109253828A - 触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种触觉传感器，其包括：基底层；形成在所述基底层上的压电层；位于所述基底层与所述压电层之间的第一电极层；位于所述压电层远离所述基底层一侧的第二电极层；以及触摸层，位于所述第二电极层远离所述压电层的一侧，所述触摸层为弹性可变形材质，其包括覆盖第二电极层的基层和凸伸于所述基层远离所述压电层的表面的多个凸部，所述基层与所述多个凸部为一体成型。本发明还提供上述触觉传感器的制备方法。所述触觉传感器性能优良。

Description

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。
背景技术
现有的仿生医学通过了解生物构造与运作原理，研发新的人工假体以帮助解决截肢者或不完全缺损的肢体缺陷带来的不便。然而，以现有的假肢为例，较少能够实现触觉感应。目前能用于触觉的传感方式包含压电传感器、电容传感器、电阻传感器等等。但这些传感器都是对于触觉产生的压力产生识别，当压力较小时往往无法有效识别。
发明内容
本发明提供一种触觉传感器，包括：
基底层；
压电层，位于所述基底层上；
第一电极层，位于所述基底层与所述压电层之间；
第二电极层，位于所述压电层远离所述基底层一侧；以及
触摸层，位于所述第二电极层远离所述压电层的一侧，所述触摸层为弹性可变形材质，其包括覆盖所述第二电极层的基层和凸伸于所述基层远离所述压电层的表面的多个凸部，所述基层与所述多个凸部为一体成型。
本发明还提供一种触觉传感器的制备方法，其包括如下步骤：
制备弹性可变形材质的触摸层，所述触摸层包括基层和凸伸于所述基层表面的多个凸部，所述基层与所述多个凸部为一体成型；
在一载体膜上依次层叠形成基底层、第一电极层、压电层、和第二电极层；以及
将触摸层贴附在第二电极层上，使载体膜相对基底层剥离。
本发明通过对触觉传感器的结构和材料进行设计，取代了传统的平面触感，通过凸部的设计增加触感灵敏度，得到了性能优良的触觉传感器。
附图说明
图1为本发明较佳实施方式触觉传感器的剖面示意图。
图2为本发明较佳实施方式触觉传感器另一状态的剖面示意图。
图3为图1所示第一电极层的平面示意图。
图4为图1所示触觉传感器的制备流程图。
图5A至图5C为制备触觉传感器的各个步骤的剖面示意图。
主要元件符号说明
触觉传感器 10
基底层 11
压电层 13
第一电极层 15
第二电极层 17
第一电极 152
第二电极 154
第一连接部 151
第一梳齿部 153
第二连接部 155
第二梳齿部 157
触摸层 12
基层 121
凸部 123
第一端 124
第二端 126
触摸物 100
载体膜 200
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
附图中示出了本发明的实施例，本发明可以通过多种不同形式实现，而并不应解释为仅局限于这里所阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本发明更为全面和完整的公开，并使本领域的技术人员更充分地了解本发明的范围。
请一并参阅图1和图2，本发明较佳实施方式的触觉传感器10，其可应用于各类电子装置中或结合于假肢中作为电子皮肤使用。触觉传感器10包括基底层11、形成在基底层11上的压电层13、形成在压电层13靠近基底层11一侧的第一电极层15、以及形成在压电层13远离基底层11一侧的第二电极层17。第一电极层15位于基底层11与压电层13之间，其包括相互间隔且绝缘设置的第一电极152和第二电极154。第二电极层17为平面电极层，其可为连续的整层。
如图1和图2所示，触觉传感器10还包括位于第二电极层17远离压电层13一侧的触摸层12，触摸层12完全覆盖第二电极层17。触摸层12包括覆盖第二电极层17的基层121和凸伸于基层121远离压电层13的表面的多个凸部123。本实施例中，基层121与多个凸部123为相同的材质且一体成型。触摸层12为弹性可变形材质，其材质可为常规的硅胶，如聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)。
每一个凸部123具有与基层121结合的第一端124和与第一端124相对且远离基层121的第二端126，第一端124的尺寸大于第二端126的尺寸，每一个凸部123沿第一端124指向第二端126的方向横截面面积逐渐减小。本实施例中，第二端126为一尖端；每一个凸部123的剖面呈三角形。于一实施例中，每一个凸部123呈金字塔形。本实施例中，多个凸部123紧密邻接排布。于一实施例中，凸部123由第一端124到第二端126的垂直延伸高度为10-300微米，例如30微米；基层121的厚度为50-500微米，例如100微米。
请参阅图3，第一电极152和第二电极154均为梳状结构且彼此电性绝缘。第一电极152包括第一连接部151以及与第一连接部151分别连接的多个第一梳齿部153。第二电极154包括第二连接部155以及与第二连接部155分别连接的多个第二梳齿部157。多个第一梳齿部153相互平行且间隔，多个第二梳齿部157相互平行且间隔。第一连接部151与第二连接部155均沿第一方向(如图3所示D1方向)延伸成矩形长条状且二者间隔设置。多个第一梳齿部153均连接第一连接部151的同一侧(靠近第二连接部155的一侧)且沿与第一方向交叉的第二方向(如图3所示D2方向)延伸成矩形长条状。多个第二梳齿部157均连接第二连接部155的同一侧(靠近第一连接部151的一侧)且沿第二方向延伸成矩形长条状。
本实施例中，第一方向D1与第二方向D2正交，第一连接部151与第一梳齿部153垂直连接，第二连接部155与第二梳齿部157垂直连接。第一电极152的第一梳齿部153与第二电极154的第二梳齿部157沿第一方向依次交替排布。
如图2所示，触摸层12的凸部123，为触觉传感器10使用时直接接触触摸物100。由于基层121与多个凸部123为一体成型，两者之间无任何的胶层，且凸部123为尺寸精细(延伸高度为几十微米)，当外部物件触碰到触觉传感器10的触摸层12时，触摸层12将发生形变，触摸层12具有非常小的应力吸收特性，能感知微小形变，增加感知灵敏度。由于凸部123的存在，触觉传感器10与触摸物100之间为非平面接触，可通过触摸层12的挤压变形提升触感。
本实施例中，基底层11的材质为柔性可弯曲的材质，例如可为常规的树脂，如聚酰亚胺(Polymide，PI)，还可为常规的硅胶，如PDMS。基底层11的厚度为100-500微米。
压电层13的材质可为各种压电材料，如聚偏二氟乙烯(PolyvinylideneFluoride，PVDF)。压电层13的厚度为20-50微米。
第一电极层15和第二电极层17的材质可为各种导电材料，如金属铜等。第一电极层15和第二电极层17的厚度为0.5-20微米。
如图2所示，触觉传感器10的基底层11、触摸层12均为可弯曲变形的，且第一电极层15、压电层13和第二电极层17相对较薄，使触觉传感器10整体可弯曲变形。当凸部触摸物100触摸到触觉传感器10的凸部123，触觉传感器10将产生变形，进而使压电层13产生一定的形变时，此时压电层13的两侧会产生电子，电子聚集通过电极(如第一电极152或第二电极154等)形成电流。
当触觉传感器10未受到挤压时，第一电极152和第二电极154的电位为相等的，当触觉传感器10受到挤压产生形变时，第一电极152和第二电极154电位发生改变进而不相等，可通过第一电极152和第二电极154的电压电流差，换算得到触觉传感器10的变形量。同时第一电极152或第二电极154还会与压电层13和第二电极层17配合构成压电电容C。当触觉传感器10受到挤压产生形变时，第一电极层15和第二电极层17之间的间距发生一定的变化，对应电容C发生改变，可根据电容变化量，换算得到触觉传感器10的变形量。通过压电差和电容差双指标，可换算得到精准的变形量。
触摸感测的敏感度S＝[(ΔE/E0)*(ΔC/C0)]/ΔP；其中E0为初始施加于第一电极152或第二电极154上的电压；ΔE为第一电极152或第二电极154上的电压的变化量，即触摸后第一电极152或第二电极154上的电压E减去E0(E-E0)；C0为初始的电容C，ΔC为电容C的变化量，即触摸后电容C减去C0(C-C0)；ΔP为形变前后按压力的差值。
请参阅图4，触觉传感器10的制备方法，包括如下步骤。
步骤S1：如图5A所示，提供触摸层12。
于一实施例中，触摸层12采用翻模法制备，包括：提供一硅晶圆衬底(图未示)，对硅晶圆衬底进行蚀刻使其一表面上形成多个凹槽(图未示)，所述凹槽沿硅晶圆衬底的内部延伸开口面积逐渐减小，例如凹槽的尺寸为30微米×30微米×15微米；在硅晶圆衬底具有凹槽的表面涂覆弹性材料，例如采用旋涂法形成PDMS，但不限于旋涂法，弹性材料将填充多个凹槽并覆盖硅晶圆衬底；干燥固化弹性材料形成触摸层12，其中填充到凹槽中的弹性材料固化对应形成触摸层12的多个凸部123，凹槽外固化的弹性材料形成触摸层12的基层121。
步骤S2：如图5B所示，在一载体膜200上依次层叠形成基底层11、第一电极层15、压电层13、和第二电极层17。
于一实施例中，载体膜200的材质选用聚对苯二甲酸类塑料(Polyethyleneterephthalate，PET)。
于一实施例中，基底层11采用柔性材料，例如PI或PDMS，但不限于PI和PDMS，涂覆在载体膜的一表面以形成基底层。
于一实施例中，采用丝网印刷的方式或喷墨打印的方式在基底层11远离载体膜200的表面形成图案化的金属铜层，但不限于金属铜，也可为其他导电材料，图案化的金属铜层形成为第一电极层15，包括相互间隔、绝缘且呈梳状的第一电极152和第二电极154。
于一实施例中，采用狭缝涂覆的方式，但不限于狭缝涂覆的方式，在第一电极层15远离载体膜200的表面形成压电材料层，压电材料层固化形成压电层13。压电材料可选用PVDF，但不限于PVDF。
于一实施例中，采用roll to roll挤压的方式在压电层13表面附着一铜箔，不限于铜箔，也可为其他导电材料箔，铜箔形成为第二电极层17。
所述步骤S2还可包括对压电层13进行极化的步骤。
步骤S3：如图5C所示，将触摸层12贴附在第二电极层17上，去除载体膜200使载体膜200相对基底层11剥离。
于一实施例中，将触摸层12贴附在包含载体膜200、基底层11、第一电极层15、压电层13、和第二电极层17的层叠物的第二电极层17上，再去除载体膜200。
所述步骤S3还可包括在压电层13裸露的表面涂覆胶体(图未示)的步骤。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，图示中出现的上、下、左及右方向仅为了方便理解，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种触觉传感器，其特征在于，包括：
基底层；
压电层，位于所述基底层上；
第一电极层，位于所述基底层与所述压电层之间；
第二电极层，位于所述压电层远离所述基底层一侧；以及
触摸层，位于所述第二电极层远离所述压电层的一侧，所述触摸层为弹性可变形材质，其包括覆盖所述第二电极层的基层和凸伸于所述基层远离所述压电层的表面的多个凸部，所述基层与所述多个凸部为一体成型。
2.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，每一个凸部具有与所述基层结合的第一端和与所述第一端相对的第二端，每一个凸部沿所述第一端指向所述第二端的方向其横截面面积逐渐减小。
3.如权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于，所述第二端为一尖端。
4.如权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于，每一个凸部呈金字塔形，所述多个凸部邻接排布。
5.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，第二电极层为连续的整层。
6.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述第一电极层包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极彼此间隔且电性绝缘，所述第一电极和所述第二电极均为梳状的，
所述第一电极包括第一连接部以及与所述第一连接部分别连接的多个第一梳齿部；
所述第二电极包括第二连接部以及与所述第二连接部分别连接的多个第二梳齿部；
所述第一连接部与所述第二连接部相对设置且彼此间隔；
所述多个第一梳齿部均连接所述第一连接部靠近所述第二连接部的一侧；
所述多个二梳齿部均连接所述第二连接部靠近所述第一连接部的一侧；
所述第一梳齿部与所述第二梳齿部沿所述第一连接部与所述第二连接部的延伸方向交替排布。
7.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述基底层为柔性可弯曲的材质。
8.如权利要求7所述的触觉传感器，其特征在于，所述触觉传感器为柔性可弯曲的。
9.一种触觉传感器的制备方法，其包括如下步骤：
制备弹性可变形材质的触摸层，所述触摸层包括基层和凸伸于所述基层表面的多个凸部，所述基层与所述多个凸部为一体成型；
在一载体膜上依次层叠形成基底层、第一电极层、压电层、和第二电极层；以及
将触摸层贴附在第二电极层上，使载体膜相对基底层剥离。
10.如权利要求9所述的触觉传感器的制备方法，其特征在于，制备触摸层包括：
提供一衬底，对衬底进行蚀刻使其一表面上形成多个凹槽，所述凹槽沿衬底的内部延伸其开口面积逐渐减小；
在硅晶圆衬底具有凹槽的表面涂覆弹性材料，弹性材料将填充多个凹槽并覆盖衬底；以及
干燥固化弹性材料形成触摸层。
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