CN110031135B - 触觉/滑觉传感器及其制备方法、电子设备、盲文识别设备、机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式触觉/滑觉传感器，其包括相对设置的两个电极层，以及位于两个电极层之间的介电层，其中至少一个电极层上对应于介电层的一侧设置有微纳结构，且介电层与该具有微纳结构的电极层共形一体化形成介电层‑电极共形一体结构，从而提高了期间的集成度和稳定性，并且由于电极层上采用具有微纳结构的石墨烯纳米墙，从而提高了传感器的灵敏度和量程。相应地，本发明还提供了该电容式触觉/滑觉传感器的制备方法，以及具有该电容式触觉/滑觉传感器的电子设备、盲文识别设备和机器人。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术，具有涉及一种基于石墨烯纳米墙的电容式触觉/滑觉传感器及其制备方法，以及具有该电容式触觉/滑觉传感器的电子设备、盲文识别设备和机器人。
背景技术
人体皮肤上分布着一系列的感知单元，能够感知外界的温度，外界复杂的形状和质地，还能感知不同程度的压力，这是因为皮肤上广泛分布着触觉受体以及复杂的内部神经结构，并且由这些感知受体将所感知的外界信息转化为神经电流信号传输给大脑，再由复杂的神经系统分析出接触物体的信息。随着机器人技术的不断发展，人们也想让机器人拥有与人类皮肤相同功能的电子皮肤，人类皮肤感知力与温度都是一个感性的值，而机器人拥有的电子皮肤则能将人类触摸到的温度、压力、质感反馈成一系列定量的数据。
机器人触觉传感技术的研究目标就是模拟人的触觉，进行仿生学硏究探测物体的外观形貌，尺寸大小、表面粗糙度。感知技术是机器人一系列功能的前提和基础，触觉技术的发展很大程度上决定了机器人技术的发展。视觉和触觉是机器人技术的两个重要的研究方向。在视觉传感领域，由于视觉图像的实时性和复杂性，以及后期大量复杂的信号处理，机器人的视觉还完全达不到人类的视觉水平，所以触觉传感器是机器人除了视觉以外的另一大信息来源。装备有触觉传感器的智能机器人可以获得丰富的外界环境信息，如材料硬度、法向力、切向力、滑移、温度等物理量，并对以上信息进行整合，就可以在机器人处理器中还原出操作对象的体积形状和刚度特性，从而可以对操作对象完成简单的分类或者更加复杂的模式识别。触觉传感器可以模仿人类的皮肤实现数据的采集和转换，所以大量应用在医疗健康、工农业生产、社会服务等多个领域，不仅可以替代人类在一些危险的环境中作业，还能够帮助一些人士重新拥有感知世界的能力。
80年代是机器人触觉传感技术研究、发展的快速增长期，在次期间涌现出了各式各样的触觉传感器，给后来的触觉传感器的发展奠定了坚实的基础。但是触觉传感器目前为止都没有实现广泛的商业应用，说明触觉传感器在现阶段还不成熟，还有大量的难题需要去克服，比如器件的灵敏度，器件的稳定性与实际应用要求还存在一定差距。因此，对触觉传感器的系列研究显得尤为重要。近年来触觉传感器得到了广泛地关注，许许多多的运用新结构与新材料的触觉传感器相继问世，其中石墨烯材料的引入使传感器的设计与制作进入了一个新的阶段。2010年的诺贝尔物理学奖将一种名为石墨烯的材料带入了人们的视线，2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一种材料，并且具有极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点。石墨烯材料被广泛应用于各种领域，在力学传感领域，二维或三维石墨烯材料有着性能稳定，灵敏度高等优势，能够对现有的触觉传感器性能带来一个显著的提高。
柔性触滑觉复合传感器是机器手或微创手术器械获取夹持状态信息不可或缺的手段。根据传感器反馈的信号，可计算出夹持装置与被夹持物之间正压力、摩擦力、相对运动状态等物理量，以实现对被夹持物稳定地夹取。目前大多数触觉传感器只能检测正向接触力，不具有滑觉感知功能。
因此，研究出高灵敏度和大量程的柔性矢量触滑觉复合传感器，使其能便捷、紧密黏贴在机器手表面或微创手术夹钳表面上，同时可检测出接触压力、摩擦力、滑移状态等力学信息，可提升器械智能化，提高微创手术的安全性与实用性。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种电容式触觉/滑觉传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种电容式触觉/滑觉传感器，包括相对设置的两个电极层，以及设置在两个电极层之间的介电层，其中，至少一个所述电极层上对应于所述介电层的一侧设置有微纳结构，且所述介电层与其中一个电极层上的微纳结构共形一体化形成电极-介电层一体化结构。
本发明通过在至少一个电极层上设置微纳结构，并在该微纳结构上共形一体形成介电层，从而使得器件集成度和稳定性得到提高，同时由于微纳结构的设置使得器件的灵敏度和量程都得以提高。
其中，所述介电层为复合介电层，其包括与所述电极层的微纳结构共形一体化的柔性隔离层，以及与所述柔性隔离层共形一体化的压电材料层。
其中，与所述介电层共形一体化的所述微纳结构为所述电极层整体/所述电极层与所述介电层相接触的表面周期性地沿传感器厚度方向向所述介电层凸起形成的凸起结构。
进一步地，所述介电层与其非共形一体化的电极层之间设置有支撑层。
优选地，所述电极层为石墨烯纳米墙、碳纳米管、导电高分子或银纳米线制成；
优选地，所述柔性隔离层采用PDMS材料、PVDF、PU或PI制成。
优选地，所述压电材料层采用氧化锌、PVDF、氧化铝或氧化钛制成。
优选地，所述支撑层采用PMMA、PU或PI制成。
其中，所述凸起结构呈倒置的金字塔状/梯形体状/四棱台状。
另一方面，本发明还提供了上述电容式触觉/滑觉传感器的制备方法，其包步骤：
制备第一电极层：采用湿法刻蚀工艺在硅基底的表面刻蚀出微米量级的多个凹槽；然后在所述硅基底上生成石墨烯，得到石墨烯纳米墙，且所述石墨烯纳米墙整体周期性地沿凹槽凹陷方向向下塌陷形成的凸起结构，或者，所述石墨烯纳米墙与所述硅基底相接触的表面周期性地沿凹槽凹陷方向向下延伸而成的凸起结构；然后在制备的石墨烯纳米墙上旋涂PDMS，并烘干固化，然后从所述硅基底上撕下得到位于PDMS柔性衬底上的第一电极层；
共形制备复合介电层：在所述石墨烯纳米墙具有微纳结构的表面旋涂PDMS或PVDF或PU或PI得到柔性隔离层，然后在该PDMS薄膜或PVDF薄膜或PU薄膜或PI薄膜上采用磁控溅射的方式镀上一层氧化锌薄膜或PVDF薄膜，或氧化铝薄膜，或氧化钛薄膜，得到电极- 介电层一体化结构；
制备第二电极层：在PET薄膜上涂布银纳米线或导电高分子材料，得到位于PET柔性衬底上的第二电极层，并在所述第二电极层上涂上一层PMMA或PU或PI作为支撑层；
传感器封装：将制备得到电极-介电层一体化结构和第二电极层进行封装。
基于上述的电容式触觉/滑觉传感器，本发明还提供了一种电子设备，其包括上述的电容式触觉/滑觉传感器。
基于上述的电容式触觉/滑觉传感器，本发明还提供了一种盲文识别设备，其包括上述的电容式触觉/滑觉传感器。
基于上述的电容式触觉/滑觉传感器，本发明还提供了一种机器人，其包括上述的电容式触觉/滑觉传感器。
本发明的有益之处在于：
本发明公开了一种电容式触觉/滑觉传感器，其包括相对设置的两个电极层，以及位于两个电极层之间的介电层，且该介电层与其中一个具有微纳结构的电极层共形一体化形成，从而提高了期间的集成度和稳定性，同时，由于该电极-介电层一体化结构中的电极层上采用具有微纳结构的石墨烯纳米墙，从而进一步提高了传感器的灵敏度和量程。
附图说明
图1为本发明的一种电容式触觉/滑觉传感器的第一实施例的结构示意图；
图2为图1中的电容式触觉/滑觉传感器的爆炸示意图；
图3为本发明的一种电容式触觉/滑觉传感器的第二实施例的结构示意图；
图4为反应本发明的一种电容式触觉/滑觉传感器中与介电层共形一体化的电极层的微纳结构的一实施例的结构示意图；
图5a和图5b分别为本发明的一种电容式触觉/滑觉传感器第三和第四实施例的结构示意图；
图6为本发明的一种电容式触觉/滑觉传感器的制备方法中制备具有微纳结构的石墨烯纳米墙及其共形转移的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
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，对本发明进行进一步详细说明。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。
名词释义：
触觉/滑觉传感器：本文中的触觉/滑觉传感器是指用于模仿触觉功能的传感器，或者模仿滑觉功能的传感器。
电极-介电层一体化结构：本文中的电极-介电层一体化结构是指介电层与该电极层上的微纳结构共形形成为一个整体结构。
本发明的该电容式触觉/滑觉传感器包括相对设置的两个电极层，以及位于两个电极层中间的介电层，其中，至少有一个电极层具有微纳结构，且该介电层与其中一个电极层上的微纳结构共形一体化形成了电极-介电层一体化结构(即当两个电极层中只有一个电极层上设置有微纳结构时，该介电层与该电极层上的微纳结构共形形成电极- 介电层一体化结构，参见图1-图4；若两个电极层相对的表面各自设置有微纳结构，则该介电层可与其中任意一个电极层上的微纳结构共形形成电极-介电层一体化结构，参见图5a和图5b)，从而提高了器件的集成度和稳定性，同时由于电极层上设置有微纳结构(如整体周期性地沿传感器厚度方向向介电层凸起而成，使得该电极层整体近似波浪形状，或电极层与介电层接触的表面周期性地向下介电层凸起而成的凸起结构，使得该电极层整体近似锯齿状)，且该介电层与上电极层上的微纳结构共形一体化形成，从而提高传感器的灵敏度和量程，下面结合具体实施例和附图进行详细的说明。
实施例一
参见图1，为本发明的一种电容式触觉/滑觉传感器的一实施例的结构示意图，具体地，本实施例的该电容式触觉/滑觉传感器从上至下依次包括：
第一柔性衬底1、具有微纳结构的第一电极层2、介电层、第二电极层4和第二柔性衬底5，其中，第一电极层1和第二电极层3相对设置，且该第一电极层和第二电极层之间的介电层与该第一电极层 2的微纳结构共形一体化形成电极-介电层一体化结构。
本实施例中，该介电层为柔性隔离层31和压电层32复合形成的复合介电层，具体地，该柔性隔离层31采用PDMS、PVDF、PU或 PI等柔性绝缘材料制成，且其与第一电极共形一体化，而该压电层 32采用氧化锌、PVDF、氧化铝或氧化钛等压电材料制成，且其与该柔性隔离层31共形一体化，即该柔性隔离层31和该压电层32均具有与第一电极层2相同的微纳结构。
本实施例中，参见图2，该第一电极层2为具有微纳结构的石墨烯纳米墙，而该微纳结构具体为该第一电极层整体，即石墨烯纳米墙，周期性地沿重力方向(即图1中传感器厚度方向)向下塌陷形成金字塔状的凸起结构(参见图1和图2，其横截面呈三角形状)，使得该第一电极层近似波浪状。
当然，本实施例中，该第一电极层的制作材料也可采用碳纳米管、导电高分子或银纳米线等导电材料制成。当然，该微纳结构也可呈倒置的梯形体状/四棱台状其他形状的凸起结构，如半球体，或者正方体，或者长方体等，参见图3。
进一步地，本实施例中还在该第二电极层4上设置有一支撑层6，具体地，该支撑层6采用PMMA、PU或PI等材料制成。
实施例二
本发明还提供了另一种电容式触觉/滑觉传感器，其包括上述实施例一中的各个部件，不同的是，本实施例中该第一电极层上的微纳结构为该第一电极的下表面(即与介电层相接触的表面)周期性地向下延伸而成，使得该第一电极层2近似锯齿状，参见图4。
实施例三
本发明还提供了另外一种电容式触觉/滑觉传感器，其包括上述实施例一中的各个部件，不同的是，本实施例中，该第一电极层2和第二电极层4上均设置有微纳结构，且第一电极层2上的微纳结构与第二电极层上的微纳结构的凸起部分交错设置如图5a所示，或凸起部分相对设置，如图5b。
当然，本实施例中，该第一电极层和第二电极层均可采用石墨烯墙，且两者的制备方式相同，即均采用湿法刻蚀工艺在硅基底的表面刻蚀出微米量级的多个凹槽；然后采用PECVD法在硅基底上生成石墨烯，石墨烯的生长时间控制在45-60分钟，得到厚度为100nm-200nm 的石墨烯纳米墙，且该石墨烯纳米墙整体周期性地凹槽方向向下塌陷形成的凸起结构，然后，在制备的石墨烯纳米墙上旋涂PDMS(即第一柔性衬底1)，并烘干固化得到厚度为10um-300um的柔性衬底PDMS，然后从硅基底上撕下得到位于PDMS柔性衬底上的电极层。
实施例四
对应于上述实施例一中的电容式触觉/滑觉传感器，本发明还提供了该电容式触觉/滑觉传感器的制备方法，下面结合具体实施例和附图进行详细的说明。
本实施例的电容式触觉/滑觉传感器的制备方法具体包括步骤：
第一步，制备电极-介电层一体化结构：
首先，制备石墨烯纳米墙，具体地，采用湿法刻蚀工艺在基底的表面刻蚀出微米量级的多个凹槽；然后采用PECVD法在硅基底上生成石墨烯，石墨烯的生长时间控制在45-60分钟，得到厚度为 100nm-200nm的石墨烯纳米墙，且该石墨烯纳米墙整体周期性地沿凹槽方向向下塌陷形成的凸起结构，参见图6；
其次，共形转移石墨烯薄膜，具体地，在制备的石墨烯纳米墙上旋涂PDMS，并烘干固化得到厚度为10um-300um的柔性衬底PDMS，然后从硅基底上撕下得到位于PDMS柔性衬底(即第一柔性衬底1) 上的第一电极层；
然后，共形制备复合介电层，具体地，在石墨烯纳米墙具有微纳结构的表面旋涂1-5um厚的PDMS(或PVDF，或PU，或PI)，然后在该PDMS(或PVDF或PU或PI)薄膜上采用磁控溅射的方式镀上一层 1-100nm厚的氧化锌薄膜(或PVDF，或氧化铝，或氧化钛)，得到带有共形复合介电层的第一电极层；
第二步，制备第二电极层：在PET薄膜上涂布银纳米线，得到位于PET柔性衬底(即第二柔性衬底5)上的第二电极层4，然后在第二电极层4上涂上一层PMMA或PU或PI作为支撑层6。
第三步，传感器封装：将制备得到电极-介电层一体化结构和第二电极层进行封装。
由于石墨烯纳米墙的最优生长方法为PECVD的方法，并且PECVD 在可以在材料的生长阶段就能实现器件阵列化，因此，本实施例中，采用PECVD来制备石墨烯墙。
当然，本实施例中，在该硅基底上生成的石墨烯纳米墙上的微纳结构也可是其下表面(即与介电层相接触的表面)周期性地沿凹槽方向向下延伸而成的凸起结构，参见图4。
实施例五
基于上述实施例三中的电容式触觉/滑觉传感器，本发明还提供了该电容式触觉/滑觉传感器的制备方法，其包括上述实施例四或五中的三个步骤，不同的是，本实施例中第二步中制备第二电极层时，采用的是与制备第一电极层的制备方式相同，即第一电极层和第二电极层均采用石墨烯墙，且两者相对于介电层的一侧均设置有微纳结构。当然，在进行封装时，可根据实际需要或者灵敏度的需求，将第一电极层和第二电极层上微纳结构中凸起部分进行相对设置或者交错设置。
实施例六
基于上述实施例一中的电容式触觉/滑觉传感器，本发明还提供了一种电子设备，其包括上述实施例一或二或三中的电容式触觉/滑觉传感器，其工作原理与上述实施例一中的工作原理相同，这里不再赘述；具体地，该电子设备可以为用户随身携带的手机和iPad等。
实施例七
基于上述实施例一中的电容式触觉/滑觉传感器，本发明还提供了一种机器人，其包括上述实施例一或二或三中的电容式触觉/滑觉传感器，其工作原理与上述实施例一中的工作原理相同，这里不再赘述；具体地，该机器人可以为是任何需要用到触觉/滑觉传感器的机器人，如模拟手的机械手等。
实施例八
基于上述实施例一中的电容式触觉/滑觉传感器，本发明还提供了一种盲文识别设备，其包括上述实施例一或二或三中的电容式触觉 /滑觉传感器。
本实施例的该盲文识别设备，当该盲文识别设备中的该电容式触觉/滑觉传感器划过盲文板表面时，盲文的凸点会使传感器电极发生上下位移，从而使该电容式触觉/滑觉传感器的电容值发生改变，从而转换成电信号经过盲文识别设备的主控设备进行分析处理以对盲文进行重构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电容式触觉/滑觉传感器，包括相对设置的两个电极层，以及设置在两个电极层之间的介电层，其特征在于，至少一个所述电极层上对应于所述介电层的一侧设置有微纳结构，且所述介电层与其中一个电极层上的微纳结构共形一体化形成电极-介电层一体化结构；
其中，所述介电层为复合介电层，其包括与所述电极层的微纳结构共形一体化的柔性隔离层，以及与所述柔性隔离层共形一体化的压电材料层；
与所述介电层共形一体化的所述微纳结构为所述电极层整体/所述电极层与所述介电层相接触的表面周期性地沿传感器厚度方向向所述介电层凸起而形成的凸起结构。
2.如权利要求1所述的电容式触觉/滑觉传感器，其特征在于，所述介电层与其非共形一体化的电极层之间设置有支撑层。
3.如权利要求2所述的电容式触觉/滑觉传感器，其特征在于，
所述电极层为石墨烯纳米墙、碳纳米管、导电高分子或银纳米线制成；和/或，
所述柔性隔离层采用PDMS、PVDF、PU或PI制成；和/或，
所述压电材料层采用氧化锌、PVDF、氧化铝或氧化钛制成；和/或，
所述支撑层采用PMMA、PU或PI制成；和/或，
所述凸起结构呈倒置的金字塔状/梯形体状/四棱台状。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的电容式触觉/滑觉传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
制备第一电极层：采用湿法刻蚀工艺在硅基底的表面刻蚀出微米量级的多个凹槽；然后在所述硅基底上生成石墨烯，得到石墨烯纳米墙，且所述石墨烯纳米墙整体周期性地沿凹槽方向向下塌陷形成的凸起结构，或者，所述石墨烯纳米墙与所述硅基底相接触的表面周期性地沿凹槽方向向下延伸而成的凸起结构；然后在制备的石墨烯纳米墙上旋涂PDMS，并烘干固化，然后从所述硅基底上撕下得到位于PDMS柔性衬底上的第一电极层；
共形制备复合介电层：在所述石墨烯纳米墙具有微纳结构的表面旋涂PDMS 或PVDF或PU或PI得到柔性隔离层，然后在该PDMS薄膜或PVDF薄膜或PU薄膜或PI薄膜上采用磁控溅射的方式镀上一层氧化锌薄膜或PVDF薄膜，或氧化铝薄膜，或氧化钛薄膜，得到共形的电极-介电层一体化结构；
制备第二电极层：在PET薄膜上涂布银纳米线或导电高分子材料，得到位于PET柔性衬底上的第二电极层，并在所述第二电极层上涂上一层PMMA或PU或PI作为支撑层；
传感器封装：将制备得到电极-介电层一体化结构和第二电极层进行封装。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，
所述PDMS柔性衬底的厚度为10um-300um；和/或，
所述微纳结构上的PDMS薄膜或PVDF薄膜或PU薄膜或PI薄膜厚度为1-5um；和/或，
所述柔性隔离层上的氧化锌层或PVDF薄膜，或氧化铝薄膜，或氧化钛薄膜的厚度为1-100nm；和/或，
所述第二电极层上的PMMA薄膜或PU或PI的厚度为1-30um。
6.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至3中任意一项所述的电容式触觉/滑觉传感器。
7.一种盲文识别设备，其特征在于，包括如权利要求1至3中任意一项所述的电容式触觉/滑觉传感器。
8.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至3中任意一项所述的电容式触觉/滑觉传感器。
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