CN109990927B - 一种双电层电容式柔性触觉传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种双电层电容式柔性触觉传感器及其制作方法，该传感器为阵列式传感器，包括上电极层、下电极层及设置在上下电极层之间的离子纤维层，所述离子纤维层为离子凝胶包覆的微纤维膜，离子纤维层的上下表面分别紧贴上电极层的下表面、下电极层的上表面。该传感器采用阵列双电层原理，在保证柔性的同时可实现电容单元的高密度阵列，进而获得更高的分辨率与信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及阵列式传感器技术领域，具体涉及一种双电层电容式柔性触觉传感器及其制作方法，可用于人机交互的压力触觉感知。
背景技术
柔性传感器的触觉感知对人机交互的安全性、准确性和鲁棒性至关重要，而人工智能的交互式机器人要求在操作时能够快速准确地感知受力情况，对柔韧性、低成本和与大面积处理技术的兼容性等有着特殊的要求，并且需要达到可伸缩、可折叠，能够适应结构实时变化的传感要求。
传统的压力传感器具有僵硬、不能折叠等特点，不适合柔性场合的测量；而近年来发展迅速的压力传感器虽然在一定程度上解决了柔性问题但加工复杂，不能大面积应用；如专利CN 105738011 A中公开了一种柔性触觉传感器，该传感器虽然具有稳定性好、灵敏度高、静动态信号检测能力的特点，但是其通过液压力的方式进行压力传导，内部压力均匀分布，却不能有较高的分辨率，同时，其加工工艺复杂，不能大批量大面积加工，且传感器有较大的厚度，不轻便，不易折叠。
近年来双电层电容式传感器也有了一定研究成果。Baoqing Nie[1]等提出一种离子微滴阵列，由纳米微滴夹在两种带有图案的透明电极的聚合物膜之间，形成具有单位面积电容的双电层，在外加载荷作用下，膜的变形导致了高弹性垂向电极接触处的周向膨胀，实现超高机械灵敏度和精细的压力分辨率。但是这种方法需要制作一系列完全一样的离子微滴，对加工精度要求很高，加工难度较大。
Xiaofeng Yang[2]等提出了一种微流体超级电容压力传感器，包含一个填充有离子液体的滤纸，顶部和底部分别为涂有两层氧化铟锡聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO-PET)薄膜，施加压力时，顶部ITO-PET膜变形引起之间的电容改变。其传感器在没有外力施加的时候，其上层电极与中间层不接触，在施加外力时，上电极层与中间层接触，应用经典的薄膜弯曲理论，利用的是上电极的弯曲。这种方法需要严格控制上电极与中间层的距离，对加工的要求较高。且这种方法使用的是液体物质，不易封装，易泄露，而且不能做到大面积处理。
因此提供具有柔性化、高分辨率、低成本和与大面积处理技术兼容的柔性压力传感器，成为现有技术中亟待解决的问题。
[1]Nie,Baoqing,et al."Iontronic microdroplet array for flexibleultrasensitive tactile sensing."Lab on a Chip 14.6(2014):1107-1116.
[2]Yang,Xiaofeng,Yishou Wang,and Xinlin Qing."A Flexible CapacitivePressure Sensor Based on Ionic Liquid."Sensors 18.7(2018):2395.
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种双电层电容式柔性触觉传感器。该传感器采用阵列双电层原理，在保证柔性的同时可实现电容单元的高密度阵列，进而获得更高的分辨率与信噪比。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，
一种双电层电容式柔性触觉传感器，其特征在于，该传感器为阵列式传感器，包括上电极层、下电极层及设置在上下电极层之间的离子纤维层，所述离子纤维层为离子凝胶包覆的微纤维膜，离子纤维层的上下表面分别紧贴上电极层的下表面、下电极层的上表面。
上电极层和下电极层上分别设有m条、n条带状平行电极及接线端，m、n均为正整数，且上电极和下电极层上的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上电极层和下电极层的平行电极交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由m×n个电容单元阵列而成，每一个电容单元都是一个小的传感器单元；每个平行电极在相应的电极层上引出电极接线端，电极接线端连接宽度相同的软排线，所有软排线用Z轴导通的双面胶重合贴与接线端固定。
所述离子纤维层以高聚物柔性纤维为基体，在高聚物柔性纤维表面包覆一层离子凝胶，所述离子凝胶为可使离子自由移动的固体电解质(例如H3PO4-PVA或者为1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基)亚胺。)
一种上述双电层电容式柔性触觉传感器的制作方法，该方法的步骤是：
1)电极层的制作，
订做电极图案的网版，采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到缓冲层上，形成电极层，上、下两个电极层的尺寸结构完全相同；
2)离子纤维层的制备，
制成离子凝胶液体，将高聚物柔性纤维浸泡混合液后沥干，形成固体离子纤维，即离子凝胶包裹纤维，且纤维内部存在孔隙。以H3PO4-PVA为例，将聚乙烯醇(PVA)、水和磷酸(H3PO4)按照质量比为1:9:1的比例(实际比例可根据力学和电学特性进行微调)进行混合，加热至90℃，磁力搅拌至混合液变得清澈透明，自然冷却至室温，即得到原液，将高聚物柔性纤维在原液中充分浸泡后取出沥干，即得到离子纤维层；
3)传感器的封装，
订做电极间隙图案的网版，用丝网印刷的方式将不干胶印刷到电极层的每两条平行电极的间隙上，然后将上、下电极层的电极相互垂直放置，分别贴于离子纤维层的两面，使平行电极与离子纤维接触，完成封装；
4)传感器接线，
将上、下电极层上所有平行电极在相应电极层上引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用Z轴导通的双面胶重合贴与电极接线端固定在一起，即可直接接到电路中使用。
所述导电油墨含有纳米银或其他高导电性金属纳米颗粒。
所述缓冲层的厚度为0.05mm～0.3mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、灵敏度更高。双电层电容比传统平行板设备高出至少1000倍的电容，提高信噪比，有高抗干扰性，其特性会有效提高传感器的灵敏度，使压力最大限度的转换成电容，测量电容量更准确，提高了压力检测精度。
2、测得的压力分布图分辨率高。设计该传感器为阵列式，利用丝网印刷的工艺分别可以得到0.5mm到15mm宽的电极，可以得到很小的阵列传感单元，提高传感单元的分布密度，使得传感器具有更高的分辨率。阵列传感器相对非阵列传感器的优点是分辨率和准确性更高，可以更为全面的收集信息。
3、柔性更好，厚度更薄。选用丝网印刷的工艺使得电极层厚度很小，缓冲层选择的材料选用柔性高聚物薄膜，可选用0.05mm到0.3mm厚的聚氨酯膜，可以达到小厚度和高柔性。
4、工艺简单，可大面积制作。电极材料选用导电涂料，例如银浆/石墨烯复合油墨，电阻较小，导电油墨直接印刷在缓冲层上，再印刷不干胶将上电极层与离子纤维层封装。工艺简单，可大面积制作和应用。
5、提出了一种电极结构设计方式，利用软排线引出方式，使接线端的设计方式省去了一条一条接线的复杂程度，简化了接线过程和工艺。
附图说明
图1是本发明传感器的整体结构示意图；
图2是本发明传感器的结构示意图；
图3是本发明传感器的电极层示意图；
图4是本发明超级电容式柔性触觉传感器的原理示意图；
图5是本发明传感器在小量程压力(0kPa-50kPa)下两层薄的离子-凝胶微纤维薄片的压容关系；
图6是本发明传感器在大量程压力(0kPa-1200kPa)下两层厚的离子-凝胶微纤维薄片的压容关系；
(图中：1、PU膜缓冲层；2、上电极层；3、不干胶；4、离子纤维层；5、下电极层；6、平行电极；7、电极接线端；)；
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请的保护范围。
本发明一种双电层电容式柔性触觉传感器，该传感器包括上电极层、下电极层及设置在上下电极层之间的离子纤维层，所述离子纤维层为离子凝胶包覆的微纤维膜，离子纤维层的上下表面分别紧贴上电极层的下表面、下电极层的上表面。
上电极层和下电极层上分别设有m、n条带状平行电极6及接线端，m、n均为正整数，上下电极层中平行电极的数量可以取值不同，即m和n数值可以不同，其具体取值可以根据需要设计改变，且上电极和下电极层上的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上电极层和下电极层的平行电极交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由mxn个电容单元阵列而成，每一个电容单元都是一个小的传感器单元；每个平行电极在相应的电极层上引出电极接线端7，电极接线端连接宽度相同的软排线，所有软排线用Z轴导通的双面胶重合贴与接线端固定；
离子凝胶包覆的微纤维膜以无纺布为基体，在无纺布表面包覆一层离子凝胶，所述离子凝胶为H3PO4-PVA或者为1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基)亚胺(若为亚胺，浸泡无纺布后也需要进行沥干处理)，离子纤维层的电导率相对较高、电阻较低，以及离子浓度相对较高，且在施加压力时，无纺布本身的纤维结构可以由按压带来的内部接触面积的增加来改变上下电极层与微纤维膜之间的接触面积，相对于现有技术不需要制造空腔，简化结构和加工工艺。
本发明传感器的基本工作原理：
上下电极层中的导电电极(平行电极)和离子纤维层中的固体电解质之间形成的电极/电解质界面，双电层原理是当电极材料与固体电解质的两端分别接触时，在外界电源的作用下，电极内部表面电荷会从电解质中吸附离子，这些离子在电极/电解质界面的电解质一侧形成一个电荷数量与电极内表面荷电电荷数量相等，且符号与其相反的界面层，由于电极/电解质界面上存在着电位差，使得两层电荷都不能越界而彼此中和，因此形成了结构稳定的双电层，产生了双电层电容。
制成离子凝胶混合液(例如聚乙烯醇-磷酸离子凝胶)，将高聚物柔性纤维(例如无纺布)浸泡混合液后沥干，形成固体离子纤维，即离子凝胶包裹纤维，且纤维内部存在一定的孔隙。离子纤维层夹在两层电极材料中间，外部压力作用下，离子纤维层被压缩产生形变，纳米纤维层和导电织物(上、下电极层)之间的接触面积将由于经典纤维集合体压缩模型所预测的结构变形而增加，从而引起电容的增加。电容的变化即可转化为电信号传输给后续处理电路，从而得到压力的大小。
采用含有纳米银的丝网印刷导电油墨在柔性聚氨酯(PU)膜上制备了微电极层(上电极层或下电极层)，将离子凝胶(例如H3PO4-PVA)包覆在微纤维片(聚丙烯)上制备中间层。上下电极组装成夹层离子凝胶膜，形成静电双层电容器(EDLCs，一种超级电容器)。组装好的压力传感器连接到电容测量电路，实现高密度压力映射。本发明中丝网印刷可以采用手动印刷，也可以采用机器印刷，具体工艺过程为现有技术。
本申请通过丝网印刷工艺制得压力触觉传感器，可以实现传感器大面积大批量引用以及更高的分辨率。
实施例1
本实施例提供了一种超级双电层电容式柔性触觉传感器(简称传感器)，用于机器人手臂部分，且用于测量正压力的大小，该传感器由上至下依次包括上缓冲层、上电极层2、离子纤维层4、下电极层5和下缓冲层，上电极层和下电极层上分别设有m条带状平行电极及接线端，且上电极和下电极层上的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上电极层和下电极层的平行电极交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由mxm个电容单元阵列而成，每一个电容单元都是一个小的传感器单元；上电极层和下电极层上的电极材料为银浆，离子纤维层由无纺布浸泡由聚乙烯醇-磷酸所制得离子凝胶得到。
下缓冲层和上缓冲层均为柔性PU(聚氨酯)膜缓冲层1，柔性PU(聚氨酯)膜缓冲层厚度是0.1mm；本身的长度可以根据需要设计，附图中的是电极宽1mm，间隙1mm，长度20mm；本实施例所做的整体传感器厚0.6mm，上、下电极层的厚度是0.1mm左右；m＝20。
本实施例基于超级双电层电容式柔性触觉传感器的制作过程是：
1.电极层的制作，订做电极图案的网版，采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到上缓冲层的下表面或下缓冲层的上表面上，分别形成上电极层或下电极层，上下电极层的尺寸结构完全相同；所述导电油墨含有纳米银；
2.离子纤维层的制备，将聚乙烯醇(PVA)、水和磷酸(H3PO4)按照质量比为1:9:1的比例进行混合，加热至90℃，磁力搅拌半小时至两小时，直至混合液变得清澈透明，自然冷却至室温，即得到原液，将无纺布在原液中充分浸泡后取出沥干，浸泡时间为30秒，即得到离子纤维；
3.传感器的封装。订做电极间隙图案的网版，用丝网印刷的方式将不干胶3印刷到上电极层或下电极层的每两条平行电极的间隙上，然后将上、下电极层的电极相互垂直放置，分别贴于离子纤维层的两面，使平行电极与离子纤维接触，完成封装；
4.传感器接线。将上、下电极层上所有平行电极在相应电极层上引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用Z轴导通的双面胶重合贴与电极接线端固定在一起，即可直接接到电路中。
上电极层有m条电极，下电极层有m条电极，上下两层电极在空间上呈垂直分布，共形成mxm个电容单元；每个电容单元原理如图6所示，在压力作用下，离子纤维和相对电极之间产生物理接触，并且接触面积随着负载的增加而增加。
为验证压力传感器的静态特性，利用压力机和LCR表对传感器电容和压力之间的关系进行测量。图5为在较小的压力范围(0kPa-50kPa)下，两层薄的离子凝胶微纤维薄片的压容关系，图5的压力传感器的离子纤维层中无纺布的平米克重为25。图6为在大压力范围(0kPa-1200kPa)下，用两层厚的离子凝胶涂层微纤维片对传感器进行测试时的数据，图6的压力传感器的离子纤维层中无纺布的平米克重为40。从数据中可以推断出施加压力与总电容之间的线性关系。这两个图数据都基于多个测试。静压试验数据灵敏度高，为0.84nF/kPa，压力范围宽，为1200kPa，试验过程中不影响重复性。与之前报道的相比，1200kPa是柔性电容式压力传感器压力测量的最广泛的范围。
传感器采样电路通过扫描方式获取每个电容单元的容值，传感器上电容单元的容值大小可反应出相应区域所受压力的变化情况，通过对传感器各电容单元容值采集即可实现分布式压力检测。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种双电层电容式柔性触觉传感器，其特征在于，该传感器为阵列式传感器，包括上电极层、下电极层及设置在上下电极层之间的离子纤维层，所述离子纤维层为离子凝胶包覆的微纤维膜，离子纤维层的上下表面分别紧贴上电极层的下表面、下电极层的上表面；
上电极层和下电极层上分别设有m条、n条带状平行电极及接线端，m、n均为正整数，且上电极和下电极层上的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上电极层和下电极层的平行电极交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由m×n个电容单元阵列而成，每一个电容单元都是一个小的传感器单元；每个平行电极在相应的电极层上引出电极接线端，电极接线端连接宽度相同的软排线，所有软排线用Z轴导通的双面胶重合贴与接线端固定；
所述离子纤维层以无纺布为基体，在无纺布表面包覆一层离子凝胶，所述离子凝胶为H3PO4-PVA；
传感器的基本工作原理：
上下电极层中的导电电极和离子纤维层中的固体电解质之间形成的电极/电解质界面，双电层原理是当电极材料与固体电解质的两端分别接触时，在外界电源的作用下，电极内部表面电荷会从电解质中吸附离子，这些离子在电极/电解质界面的电解质一侧形成一个电荷数量与电极内表面荷电电荷数量相等，且符号与其相反的界面层，由于电极/电解质界面上存在着电位差，使得两层电荷都不能越界而彼此中和，因此形成了结构稳定的双电层，产生了双电层电容；
制成离子凝胶混合液，将高聚物柔性纤维浸泡混合液后沥干，形成固体离子纤维，即离子凝胶包裹纤维，且纤维内部存在一定的孔隙；离子纤维层夹在两层电极材料中间，外部压力作用下，离子纤维层被压缩产生形变，离子纤维层和上、下电极层导电织物之间的接触面积将由于经典纤维集合体压缩模型所预测的结构变形而增加，从而引起电容的增加；电容的变化即可转化为电信号传输给后续处理电路，从而得到压力的大小；
传感器采样电路通过扫描方式获取每个电容单元的容值，传感器上电容单元的容值大小可反应出相应区域所受压力的变化情况，通过对传感器各电容单元容值采集即可实现分布式压力检测；
组装好的压力传感器连接到电容测量电路，实现高密度压力映射。
2.一种权利要求1所述的双电层电容式柔性触觉传感器的制作方法，该方法的步骤是：
1)电极层的制作，
订做电极图案的网版，采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到缓冲层上，形成电极层，上、下两个电极层的尺寸结构完全相同；
2)离子纤维层的制备，
制成离子凝胶混合液，将高聚物柔性纤维浸泡混合液后沥干，形成固体离子纤维，即离子凝胶包裹纤维，且纤维内部存在孔隙；
3)传感器的封装，
订做电极间隙图案的网版，用丝网印刷的方式将不干胶印刷到电极层的每两条平行电极的间隙上，然后将上、下电极层的电极相互垂直放置，分别贴于离子纤维层的两面，使平行电极与离子纤维接触，完成封装；
4)传感器接线，
将上、下电极层上所有平行电极在相应电极层上引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用Z轴导通的双面胶重合贴与电极接线端固定在一起，即可直接接到电路中使用。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述离子凝胶为H3PO4-PVA，将聚乙烯醇(PVA)、水和磷酸(H3PO4)按照质量比为1:9:1的比例进行混合，加热至90℃，磁力搅拌至混合液变得清澈透明，自然冷却至室温，即得到原液，将高聚物柔性纤维在原液中充分浸泡后取出沥干，即得到离子纤维层。
4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述导电油墨含有纳米银。
5.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度为0.05mm～0.3mm。
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