CN109883584A - 基于微结构的柔性仿生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结构的柔性仿生触觉传感器，包括仿指纹层和相对设置的两个导电结构，每一个导电结构包括支撑层、设于支撑层上的柔性层和设于柔性层上的导电敏感层，两个导电结构的导电敏感层抵触，仿指纹层设于两个所述导电结构之一的支撑层的背向柔性层的表面上。本发明还公开了一种基于微结构的柔性仿生触觉传感器的制备方法，具有原料廉价、工艺简单、操作方便和适合大规模工业化生产的优点，特别是可以通过调节导电敏感层中导电凸起的大小和厚度来调控传感器的灵敏度，获得高精度、高稳定性、高灵敏度的柔性仿生触觉传感器。

Description

基于微结构的柔性仿生触觉传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于微结构的柔性仿生触觉传感器及其制备方法。

背景技术

随着物联网的发展，柔性电子学、传感器得到飞速的发展，与传统的刚性器件相比，柔性传感器因其优异的性能而被广泛关注，可以做到生物相容性，灵活性，穿戴舒适性。柔性传感器可以用于电子皮肤、可穿戴设备、健康监测、智能机器人领域，可以实现信息收集、健康检测、人机交互等功能。近年来，随着碳纳米管、石墨烯及纳米材料研究的不断深入，其广阔的应用前景不断显现出来，各种各样的新型材料被用在传感器中。而碳纳米管是一种特殊结构，具有优异的力学、电学、化学和机械性能、重量轻等优点，因其良好的导电性、对可见光透明、稳定性强、良好的柔性、可应用于可折叠可穿戴的电子产品中等优点，越来越多的被用于柔性传感器。

随着通信技术的快速发展和计算机科学技术的不断进步，智能机器人更多的走进了我们的日常，机械手臂的运用更加贴近我们的生活，然而与人的手臂相比，可以感知外界的压力、应力、物体表面的粗糙度等物理特性的机械手臂目前还有很大的差距，如何能够更加精确地模仿人类手臂的传感特性也逐渐成为科研热点。如何做到让传感器拥有手指一样感知物体粗糙度的能力是一个有意义的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种具有高灵敏度的基于微结构的柔性仿生触觉传感器以及一种工艺简单的基于微结构的柔性仿生触觉传感器的制备方法。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于微结构的柔性仿生触觉传感器，包括仿指纹层和相对设置的两个导电结构，每一个所述导电结构包括支撑层、设于所述支撑层上的柔性层和设于所述柔性层上的导电敏感层，两个所述导电结构的导电敏感层抵触,所述仿指纹层设于其中一个所述支撑层的背向所述柔性层的表面上。

优选地，每个所述导电敏感层包括设于所述柔性层上的导电本体和设于所述导电本体的背向所述柔性层的表面上的若干个导电凸起；其中一个所述导电敏感层的所述导电本体与另一个所述导电敏感层的所述导电凸起抵触或者两个所述导电敏感层的所述导电凸起相互抵触。

优选地，每个所述支撑层的两端弯曲设置形成第一弯曲部和第二弯曲部，所述第一弯曲部和所述第二弯曲部均朝所述柔性层所在侧弯曲；两个所述支撑层的两个所述第一弯曲部的末端相连接，两个所述支撑层的两个所述第二弯曲部的末端相连接。

优选地，所述柔性仿生触觉传感器还包括两个电极，两个所述电极分别设于两个所述导电敏感层上。

优选地，所述导电凸起的形状为多棱锥体型、柱状、半球状和条纹状中的至少一种。

优选地，所述仿指纹层包括仿指纹层本体和若干个凸结构，所述仿指纹层本体贴设于所述支撑层上，若干个所述凸结构设于所述仿指纹层本体的背向所述柔性层的表面上。

本发明还提供了一种基于微结构的柔性仿生触觉传感器的制备方法，包括：

S1、提供第一模板,在所述第一模板上制作形成导电敏感层；

S2、在所述导电敏感层上制作形成柔性层；

S3、在所述柔性层上制作形成支撑层，形成导电结构；

S4、提供所述第二模板，在所述第二模板制作形成仿指纹层；

S5、将步骤S4制得的所述仿指纹层与步骤S3制得的所述导电结构的所述支撑层贴合；

S6、将按照步骤S1～S3制得所述导电结构和按照步骤S1～S5制得的带有所述仿指纹层的所述导电结构连接，两个所述导电敏感层抵触。

优选地，在所述第一模板上制作形成导电敏感层的具体方法包括：

在所述第一模板的模板本体上制作形成若干个盲孔；

在所述模板本体上和所述盲孔内制作形成所述导电敏感层，所述导电敏感层包括形成于所述盲孔内的导电凸起和形成于所述模板本体上的导电本体。

优选地，在所述步骤S3之后，所述制备方法还包括：在所述导电敏感层上制作形成电极。

优选地，所述将按照步骤S1-S3制得所述导电结构和按照步骤S1-S5制得所述导电结构连接之后，所述制备方法还包括将一个所述导电结构的支撑层和另一个所述导电结构的支撑层连接，使得两个所述支撑层形成封闭空间。

本发明提供的基于微结构的柔性仿生触觉传感器，通过设置导电凸起，在压力作用下，导电凸起之间的接触面积变化非常明显，使得传感器对压力的响应更灵敏；采用材料制作导电敏感层，具有柔性，导电性好，在传感器滑动或弯曲过程中不易损坏，稳定性好。

本发明提供的触觉传感器的制备方法，具有原料廉价、工艺简单、操作方便和适合大规模工业化生产的优点，特别是可以通过调节导电敏感层中导电凸起大小和厚度来调控传感器的灵敏度，获得高精度、高稳定性、高灵敏度的柔性仿生触觉传感器，克服了现有力学传感器稳定性和可靠性不好、灵敏度低、最低检测限高等缺陷

附图说明

图1A至图1H为本发明的实施例的驱动器件的制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1H所示，本发明实施例的基于微结构的柔性仿生触觉传感器包括仿指纹层20和相对设置的两个导电结构10，其中每个两个导电结构10包括支撑层11、设于支撑层11上的柔性层12和设于柔性层12上的导电敏感层13，两个导电结构10的导电敏感层13相向地抵触，仿指纹层20设于其中一个支撑层11的远离柔性层12的表面上。

上述的触觉传感器工作原理如下：当外力垂直作用在上下两个支撑层11上时，使得上下两个导电敏感层13的有效接触面积发生变化，使得触觉传感器的电阻值发生变化，进而通过电阻值的变化确定外界作用的压力值。当触觉传感器在物体表面滑动时，仿指纹层20与物体表面的突起产生剪切力，使得上下两个导电敏感层13的有效接触面积发生变化，使得触觉传感器的电阻值发生变化，进而通过电阻值的变化确定外界物体的粗糙程度。

具体地，每个导电敏感层13包括设于柔性层12上的导电本体13b和设于导电本体13b的背向柔性层12的表面上的若干个导电凸起13a；其中一个导电敏感层13的导电本体13b与另一个导电敏感层13的导电凸起13a抵触，这样当外界物体挤压仿指纹层20时，导电凸起13a发生形变，使得两个导电敏感层13的接触发生变化，使得触觉传感器的阻值发生变化。当然在其他实施方式中，两个导电敏感层13的导电凸起13a相互抵触，这样当外界物体挤压仿指纹层20时，导电凸起13a发生形变，导电凸起13a之间的接触面积发生变化，使得触觉传感器的阻值发生变化。

作为优选实施例，导电凸起13a的形状选为正四棱锥型，即金字塔结构，导电凸起13a的底面长度为10～50μm，底面宽度为10～50μm，高度为7.06～35.3μm，相邻两个导电凸起13a之间的间距为10～50μm。当然在其他实施方式中，导电凸起13a的形状还可以为多棱锥体型、柱状、半球状和条纹状中的任意一种，或者是上述多种形状的组合。

具体地，每个支撑层11的两端弯曲设置形成第一弯曲部11a和第二弯曲部11b，第一弯曲部11a和第二弯曲部11b均朝柔性层12所在侧弯曲；两个支撑层11的两个第一弯曲部11a的末端相连接，两个所述支撑层11的两个所述第二弯曲部11b的末端相连接，这样上下两个导电结构10紧密连接，这样可防止触觉传感器在使用过程中，两个导电结构10脱落造成器件的损坏。同时两个支撑层形成封闭空间，还可防止外界灰尘进入触觉传感器内。进一步地，支撑层11上设有开孔，用于外界线路通过以与导电敏感层13电连接。

进一步地，触觉传感器还包括两个电极30，两个电极30分别设于两个导电敏感层13上，具体是电极30贴合于导电本体13b上，这样可将外界线路与电极30连接，方便外界线路测试导电敏感层13的电阻变化。

进一步地，仿指纹层20包括仿指纹层本体21和若干个凸结构22，仿指纹层本体21贴设于其中一个支撑层11上，若干个凸结构22设于仿指纹层本体21远离柔性层12的表面上，凸结构22用于与外界物体表面接触时，产生剪切力，方便触觉传感器检测物体表面的粗糙程度。其中，凸结构22形状为的形状选为正四棱锥型，即金字塔结构，凸结构22的底面长度为10～50μm，底面宽度为10～50μm，高度为7.06～35.3μm，相邻两个凸结构22之间的间距为10～50μm。当然在其他实施方式中，凸结构22的形状还可以为多棱锥体型、柱状、半球状和条纹状中的任意一种，或者是上述多种形状的组合。

本发明提供的触觉传感器，通过设置导电凸起，在压力作用下，导电凸起之间的接触面积变化非常明显，使得传感器对压力的响应更灵敏；采用材料制作导电敏感层，具有柔性，导电性好，在传感器滑动或弯曲过程中不易损坏，稳定性好。

实施例二

图1A至图1H示出了本发明实施例的基于微结构的柔性仿生触觉传感器的制备方法流程图，其包括如下步骤：

步骤S1：参照图1A和1B，提供第一模板40，在第一模板40上制作形成导电敏感层13。

具体地，第一模板40包括模板本体42和设于模板本体42上的若干个盲孔41。第一模板40优选为硅基模板，采用微机电系统中常用的微加工工艺在模板本体42上刻蚀出盲孔41，盲孔41优选为倒正四棱锥结构，即倒金字塔结构，盲孔41的底面为正方形，其边长为10μm，盲孔41的高度为7.06μm，侧面与底面的夹角为54.7°，相邻两个盲孔41之间的间距10μm。当然在其他实施例方式中，盲孔41还可为其他结构。

作为优选实施例，导电敏感层13的材料优选为单壁碳纳米管，具体包括如下步骤：

(1)在第一模板40上制作形成脱膜层；

具体是在第一模板40上涂覆三甲基氯硅烷或者全氟辛基三氯硅烷，在盲孔41内和模板本体42上形成一层脱膜层，有利于第一模板40与导电敏感层13的剥离。

(2)制备单壁碳纳米管(SWNTs)分散溶液；

选用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为分散剂，先在空气中对单壁碳纳米管进行退火处理，接着将经过退火处理的单壁碳纳米管进行纯化处理，然后将纯化后的单壁碳纳米管分散在DMF溶液中，得到SWNTs/DMF溶液。并对SWNTs/DMF溶液进行超声分散处理，其中超声功率为150～400W，超声时间为1～3小时，，浓度为0.01～1g/ml。当然在其他实施方式中，分散剂还可以为水、二甲基甲酰胺、十二烷基硫酸钠水溶液、乙醇、乙二醇、曲拉通水溶液或1-甲基-2-吡咯烷酮的任意一种或两种以上的组合。

(3)在脱膜层上喷涂单壁碳纳米管分散溶液形成导电敏感层13；

将第一模板40置于加热台上，调节加热台的温度为50℃～200℃；将单壁碳纳米管分散溶液装进喷枪内，控制喷枪喷头气压为0.1～1MPa，在脱膜层上喷涂0.1～1ml的单壁碳纳米管分散溶液，加热一段时间后形成导电敏感层13。参照图1B，其中导电敏感层13包括位于盲孔41内的导电凸起13a和位于模板本体42上的导电本体13b。

在其他实施方式中，上述在第一模板40上制作形成脱膜层的步骤可省略，直接在模板本体42上和盲孔41内制作形成导电敏感层13

当然在其他实施方式中，导电敏感层13的材料还可以为碳纳米管、金、铂、镍、银、铟、铜、铝、银纳米线和石墨烯中的任意一种或者两种以上的组合。还可以采用打印工艺、热蒸发工艺、化学沉积工艺和溅射工艺中的任意一种工艺在含有脱膜层的第一模板40上制作形成导电敏感层13。

步骤S2：参照图1C，在导电敏感层13上制作形成柔性层12。

作为优选实施例，柔性层12的材料选为聚二甲基硅氧烷，采用旋涂工艺将聚二甲基硅氧烷溶液涂覆在导电本体13b与导电凸起13a相对的表面上，接着对涂覆有聚二甲基硅氧烷溶液导电本体13b的进行固化处理，在导电本体13b上形成柔性层12。在旋涂工艺中，控制旋涂机的转速为1000～6000r/min，旋涂时间为60s。其中固化处理的温度为40～120℃，固化时间为1～5小时。聚二甲基硅氧烷溶液中预聚体和交联剂的质量比为10:1，在涂覆前对聚二甲基硅氧烷溶液中进行搅拌，搅拌时间为20分钟。柔性层12的厚度范围为1-200μm，本实施例中柔性层12的厚度为20μm。

当然在其他实施方式中，柔性层12还可以采用其他高分子材料，例如乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺，可从上述材料中任意选取一种，或者选取多种进行来制作柔性层12。在其他实施方式中，还可采用滴涂工艺、喷涂工艺和刮涂工艺中任意一种在导电本体13b上制作形成柔性层12。

步骤S3：参照图1D，在柔性层12上制作形成支撑层11，形成导电结构10。

作为优选实施例，支撑层11的材料优选为聚乙烯，在柔性层12涂覆聚乙烯溶液，形成聚乙烯薄膜，使得支撑层11贴附于柔性层12上，支撑层11的厚度范围为1～100μm，本实施例中支撑层11的厚度优选为12μm。

优选采用化学键结合的方法将支撑层11和柔性层12紧密结合在一起。具体是当步骤S2中的柔性层12呈半固化状态时，将经过紫外照射的聚乙烯薄膜贴合在柔性层12上，然后再对柔性层12进一步固化，使得柔性层12与支撑层11产生化学键结合。本实施例中，对涂覆有聚二甲基硅氧烷溶液导电本体13b的进行固化处理5～20分钟，即可形成半固化的柔性层12。上述聚乙烯薄膜的紫外照射时间为3～30分钟，柔性层12进一步固化的时间为1～5小时。

当然在其他实施方式中，支撑层11的材料还可采用乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的任意一种或多种。

其中，支撑层11的两端弯曲设置形成第一弯曲部11a和第二弯曲部11b，第一弯曲部11a和第二弯曲部11b均朝柔性层12所在侧弯曲。

进一步地，如图1E所示，在柔性层12上制作形成支撑层11后，将导电结构10从第一模板40上剥离，在导电敏感层13上制作形成电极30。电极30的作用是方便外界电路与导电敏感层13的电连接。作为优选实施例，电极30选为铜箔，采用粘贴的方式将铜箔固定于导电本体13b上，用于电极30。电极30还可选为导电布或者漆包线等，还可采用印刷工艺或者物理切割工艺将电极30电连接与导电敏感层13上。

步骤S4：参照图1F，提供第二模板50，在第二模板50制作形成仿指纹层20。

优选地，第二模板50与第一模板40的形状结构和材质一致，提供的第二模板50上设有一层脱膜层，脱膜层制作材料和制作工艺与步骤S1中的一致，在此不再赘述。作为优选实施例，仿指纹层20的材料为选为聚二甲基硅氧烷，采用旋涂工艺将聚二甲基硅氧烷溶液涂覆在第二模板50，接着对涂覆有聚二甲基硅氧烷溶液第二模板50的进行固化处理，在第二模板50上形成仿指纹层20。其中，制得的仿指纹层20包括凸结构22和仿指纹层本体21。

当然在其他实施方式中，仿指纹层20还可以采用其他高分子材料，例如乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺，可从上述材料中任意选取一种，或者选取多种进行来制作仿指纹层20。在其他实施方式中，还可采用滴涂工艺、喷涂工艺和刮涂工艺中任意一种在第一模板40上制作形成仿指纹层20。

进一步地，本步骤中制得的仿指纹层20处于半固化状态，固化处理5～20分钟，即可形成半固化的仿指纹层20。

步骤S5：参照图1G，将步骤S4制得的仿指纹层20与步骤S3制得的导电结构10的支撑层11贴合。

作为优选实施例，采用化学键结合的方式将仿指纹层20与支撑层11固定贴合，其中支撑层11的优选为聚乙烯薄膜，对聚乙烯薄膜进行紫外照射处理，处理时间为，将经过紫外照射的聚乙烯薄膜贴合于处于半固化状态的仿指纹层20上，然后对仿指纹层20进一步固化，使得仿指纹层本体21与支撑层11通过化学键结合在一起。其中上述聚乙烯薄膜的紫外照射时间为3～30分钟，仿指纹层20进一步固化的时间为1～5小时。

进一步地，将仿指纹层20从第二模板50上剥离下来，即可得到带有仿指纹层20的导电结构10。

步骤S6：参照图1H，将按照步骤S1～S3制得导电结构10和按照步骤S1～S5制得的带有仿指纹层20的导电结构10连接，两个导电敏感层13抵触，得到触觉传感器。

步骤S7：参照图1H，在步骤S7中制得触觉传感器后，将一个导电结构10的支撑层11和另一个导电结构10的支撑层11连接，使得两个所述支撑层11形成封闭空间。具体是将两个支撑层11的两个第一弯曲部11a的末端利用胶水粘贴，将两个支撑层11的两个第一弯曲部11b的末端利用胶水粘贴，这样两个支撑层11连接成一体。

进一步地，支撑层11上设有开口，开口用于外界线路穿过或者开口用于电极30伸出，方便外界线路与电极30的电连接。

本发明提供的触觉传感器的制备方法，具有原料廉价、工艺简单、操作方便和适合大规模工业化生产的优点，特别是可以通过调节导电敏感层中导电凸起大小和厚度来调控传感器的灵敏度，获得高精度、高稳定性、高灵敏度的柔性仿生触觉传感器，克服了现有力学传感器稳定性和可靠性不好、灵敏度低、最低检测限高等缺陷。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于微结构的柔性仿生触觉传感器，其特征在于，包括仿指纹层(20)和相对设置的两个导电结构(10)，每一个所述导电结构(10)包括支撑层(11)、设于所述支撑层(11)上的柔性层(12)和设于所述柔性层(12)上的导电敏感层(13)，两个所述导电结构(10)的导电敏感层(13)抵触，所述仿指纹层(20)设于两个所述导电结构(10)之一的所述支撑层(11)的背向所述柔性层(12)的表面上。

2.根据权利要求1所述的基于微结构的柔性仿生触觉传感器，其特征在于，每个所述导电敏感层(13)包括设于所述柔性层(12)上的导电本体(13b)和设于所述导电本体(13b)的背向所述柔性层(12)的表面上的若干个导电凸起(13a)；其中一个所述导电敏感层(13)的所述导电本体(13b)与另一个所述导电敏感层(13)的所述导电凸起(13a)抵触或者两个所述导电敏感层(13)的所述导电凸起(13a)相互抵触。

3.根据权利要求1所述的基于微结构的柔性仿生触觉传感器，其特征在于，每个所述支撑层(11)的两端弯曲设置形成第一弯曲部(11a)和第二弯曲部(11b)，所述第一弯曲部(11a)和所述第二弯曲部(11b)均朝所述柔性层(12)所在侧弯曲；两个所述支撑层(11)的两个所述第一弯曲部(11a)的末端相连接，两个所述支撑层(11)的两个所述第二弯曲部(11b)的末端相连接。

4.根据权利要求1所述的基于微结构的柔性仿生触觉传感器，其特征在于，所述柔性仿生触觉传感器还包括两个电极(30)，两个所述电极(30)分别设于两个所述导电敏感层(13)上。

5.根据权利要求1所述的基于微结构的柔性仿生触觉传感器，其特征在于，所述导电凸起(13a)的形状为多棱锥体型、柱状、半球状和条纹状中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的基于微结构的柔性仿生触觉传感器，其特征在于，所述仿指纹层(20)包括仿指纹层本体(21)和若干个凸结构(22)，所述仿指纹层本体(21)贴设于所述支撑层(11)上，所述若干个凸结构(22)设于所述仿指纹层本体(21)的背向所述柔性层(12)的表面上。

7.一种基于微结构的柔性仿生触觉传感器的制备方法，其特征在于，包括：

S1、提供第一模板(40)，在所述第一模板(40)上制作形成导电敏感层(13)；

S2、在所述导电敏感层(13)上制作形成柔性层(12)；

S3、在所述柔性层(12)上制作形成支撑层(11)，从而所述支撑层(11)、所述柔性层(12)和所述导电敏感层(13)形成导电结构(10)；

S4、提供第二模板(50)，在所述第二模板(50)上制作形成仿指纹层(20)；

S5、将步骤S4制得的所述仿指纹层(20)与步骤S3制得的所述导电结构(10)的所述支撑层(11)贴合；

S6、将按照步骤S1～S3制得的所述导电结构(10)和按照步骤S1～S5制得的带有所述仿指纹层(20)的所述导电结构(10)连接，两个所述导电敏感层(13)抵触。

8.根据权利要求7所述的基于微结构的柔性仿生触觉传感器的制备方法，其特征在于，在所述第一模板(40)上制作形成导电敏感层(13)的具体方法包括：

在所述第一模板(40)的模板本体(42)上制作形成若干个盲孔(41)；

在所述模板本体(42)上和所述盲孔(41)内制作形成所述导电敏感层(13)，所述导电敏感层(13)包括形成于所述盲孔(41)内的导电凸起(13a)和形成于所述模板本体(42)上的导电本体(13b)。

9.根据权利要求7所述的基于微结构的柔性仿生触觉传感器的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3之后，所述制备方法还包括：在所述导电敏感层(13)上制作形成电极(30)。

10.根据权利要求7所述的基于微结构的柔性仿生触觉传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S6之后，所述制备方法还包括：将一个所述导电结构(10)的支撑层(11)和另一个所述导电结构(10)的支撑层(11)连接，使得两个所述支撑层(11)形成封闭空间。