CN110329986A - 一种仿生柔性力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性电子相关技术领域，其公开了一种仿生柔性力传感器及其制备方法，该方法包括以下步骤：(1)通过倒模技术制备得到柔性基底，所述柔性基底的表面形成有仿生微结构；(2)分别在两个所述柔性基底的仿生微结构上制备一层银纳米线及微毛，并分别在对应的两个所述柔性基底与所述仿生微结所在表面相背的表面上制备屏蔽层及负摩擦层背电极，由此得到正摩擦层及负摩擦层；(3)将所述正摩擦层与所述负摩擦层进行封装以形成柔性力传感器，所述正摩擦层的仿生微结构与所述负摩擦层的仿生微结构互扣以形成互锁。本发明避免了复杂的微纳制造工艺过程，简化了流程，工艺简单，易于实施。

Description

一种仿生柔性力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于柔性电子相关技术领域，更具体地，涉及一种仿生柔性力传感器及其制备方法。

背景技术

随着物联网和机器人技术的发展，人类对于人机交互提出了更高的要求，推动柔性电子技术诞生并迅速发展，这项技术在电子皮肤、人机交互界面、生理信号检测等方面发挥着重要的作用。对比于传统的硅基电子，柔性电子产品在不同种类(软、硬、平、曲)的基底上具有极好地适应性。借助这种独特的优势大量柔性电子产品得以突破，并开发了各种应用，如发光二极管、电池、天线和传感器。

柔性力传感器是通过将力输入转化为电信号输出的一种柔性电子器件。传统的柔性力传感器大多采用电阻式或者电容式，但是这两种传感器都是需要外部功能以探测信号。2012年以来，摩擦发电技术得到了迅速发展，摩擦发电机通过摩擦起电和静电耦合的作用将机械能转化为电能，具有制造简单、低成本、环保、高适应性等特点，其不仅可以用来收集环境能源，同时还可以作为传感单元使用，与其他传感器有所不同，当受到外界压力作用时两摩擦层接触产生电信号输出，摩擦电式传感器能够自发产生电信号(又称为自供能传感)。

与传统柔性力传感器一样，大多数摩擦发电传感器都只能探测正向压力，并且灵敏度也比较低。为了提升摩擦发电传感器灵敏度大多通过微纳加工方法在材料表面加工出特定的微结构，但其制造加工过程极其复杂。相应地，本领域存在着发展一种工艺简单的仿生柔性力传感器及其制备方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种仿生柔性力传感器及其制备方法，其通过叶片微结构的仿生二次倒模来实现对叶片表面微结构的简单复制，以得到叶片表面微结构的仿生实体模型，避免了复杂的微纳制造工艺过程。此外，采用真空蒸镀和感应耦合等离子体可在所述仿生实体模型的表面制备微毛，如此极大地提高了力传感器的灵敏度；同时将负摩擦层和正摩擦层的仿生微结构互扣以形成互锁结构，如此使得所述力传感器可以实现对正压力和剪切力的同时探测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种仿生柔性力传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)通过倒模技术制备得到柔性基底，所述柔性基底的表面形成有仿生微结构；

(2)分别在两个所述柔性基底的仿生微结构上制备一层银纳米线及微毛，并分别在对应的两个所述柔性基底与所述仿生微结所在表面相背的表面上制备屏蔽层及负摩擦层背电极，由此得到正摩擦层及负摩擦层；

(3)将所述正摩擦层与所述负摩擦层进行封装以形成柔性力传感器，所述正摩擦层的仿生微结构与所述负摩擦层的仿生微结构互扣以形成互锁。

进一步地，所述微毛所在的表面未被所述仿生微结构覆盖的区域上也形成有微毛。

进一步地，步骤(1)具体包括以下步骤：

(11)将清洗干净的、具有微结构的叶片设置于载玻片上，且所述叶片的正面朝上；

(12)将聚二甲基硅氧烷旋涂在所述叶片的正面，静置预定时间后，将所述叶片上形成的聚二甲基硅氧烷一次倒模自所述叶片剥离；

(13)在所述聚二甲基硅氧烷一次倒模上制备疏水层；

(14)将聚二甲基硅氧烷旋涂在所述聚二甲基硅氧烷一次倒模上，并将形成在所述聚二甲基硅氧烷一次倒模上的聚二甲基硅氧烷二次倒模自所述聚二甲基硅氧烷一次倒模剥离，所述聚二甲基硅氧烷二次倒模即为所述柔性基底。

进一步地，所述预定时间为48小时。

进一步地，所述银纳米线是通过喷涂方法制备的。

进一步地，采用真空蒸镀的方法在所述柔性基底的微结构上蒸镀一层聚四氟乙烯薄膜，并采用感应耦合等离子体刻蚀法将所述聚四氟乙烯薄膜刻蚀成多个所述微毛。

进一步地，通过聚酰亚胺胶带将所述正摩擦层与所述负摩擦层进行封装，以形成拱形的所述柔性力传感器。

进一步地，所述叶片为天鹅绒竹芋叶子或者荷叶。

按照本发明的另一个方面，提供了一种仿生柔性力传感器，所述仿生柔性力传感器是采用如上所述的仿生柔性力传感器的制备方法制备成的。

进一步地，所述仿生微结构为拱形微柱，其平均直径为20μm，高度为20μm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的仿生柔性力传感器及其制备方法主要具有以下有益效果：

1.通过倒模技术制备得到柔性基底，所述柔性基底的表面形成有仿生微结构，利用倒模即可简单地实现仿生微结构的制备，避免了复杂的微纳加工制造过程，可以极大地节约制造成本，并且重复性高，工艺简单。

2.所述正摩擦层的仿生微结构与所述负摩擦层的仿生微结构互扣以形成互锁，如此在受力的时候，摩擦接触的实际面积比普通平整的传感器要大得多，提高了传感器的输出信号，进而提高了传感器的灵敏度。

3.采用真空蒸镀的方法在所述柔性基底的微结构上蒸镀一层聚四氟乙烯薄膜，并采用感应耦合等离子体刻蚀法将所述聚四氟乙烯薄膜刻蚀成多个所述微毛，由于聚四氟乙烯的电负性极强，如此微毛更进一步地提高了传感器的灵敏度。

4.由于摩擦层两表面都具有仿生微结构，两摩擦层相对放置，形成互锁结构，当受到正压力作用时，上下两个摩擦层表面微结构相互嵌入接触摩擦，随着力的增大，接触面积增大，输出增大；当受到剪切力作用时，两表面仿生微结构互嵌滑动，在拱形仿生微结构的侧面滑动摩擦，产生电信号，如此能够同时探测正压力和剪切力。

5.由于在正摩擦层的背面具有接地屏蔽层，在工作时接地处理，可以极大地避免外界电磁信号对传感器本身信号的干扰；同时作为力传感器与物体接触时，产生的摩擦静电荷会通过屏蔽层导入大地。

6.由于此传感器具有柔性，而且可以探测正压力和剪切力，如此首先，可以用于机械手手指弯曲程度的感知；其次，可以制成阵列对机械手掌手背的压力分布进行感知；同样，还能贴于手指尖，对指尖压力感知；最后，由于可以测量剪切力，因此可以对材料表面粗糙度进行测量。

7.所述预定时间为48小时，采用常温静置48小时固化主要是为了防止在加热固化叶子受热水分蒸发导致微结构复制出现问题。

8.制备工艺流程具有高度灵活性，易于批量加工，具有较高的制造成功率和质量；此外，制备方法中所采用的材料如聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯以及银纳米线等均无毒无害，既避免了对环境的污染，又保证了生产人员和使用者的安全。

附图说明

图1是本发明提供的仿生柔性力传感器及其制备方法的流程示意图；

图2是本发明提供的仿生柔性力传感器的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-叶片，2-聚二甲基硅氧烷一次倒模，3-聚二甲基硅氧烷二次倒模，4-正摩擦层电极，5-屏蔽层，6-微毛，7-负摩擦层背电极。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供的仿生柔性力传感器的制备方法，所述制备方法主要包括仿生结构倒模工艺、银纳米线喷涂工艺、反应离子刻蚀工艺、器件封装工艺等。其中仿生结构倒模工艺用于将绒叶肖竹芋叶子表面的微结构复制，通过两次倒模，能够完整有效的将微结构复制出来；银纳米线喷涂工艺主要用于制备摩擦电极、信号引出背电极以及屏蔽层电极；反应离子刻蚀工艺主要用于在制备树叶表面微结构二次倒模过程中制备疏水表面，便于倒模后的脱模过程；器件封装工艺主要用于力传感器的组装过程。具体地，所述制备方法主要包括以下步骤：

步骤一，通过倒模技术制备得到柔性基底，所述柔性基底的表面形成有仿生微结构。

具体地，所述柔性基底的制备包括以下步骤：

(1)将清洗干净的叶片1设置于载玻片上，且所述叶片1的正面朝上。

本实施方式采用的叶片1为天鹅绒竹芋叶子，当然也可以为其他的表面具有微结构的叶子，如荷叶。具体地，剪取新鲜天鹅绒竹芋叶子，并采用等离子水将所述叶子冲洗干净，之后采用压缩空气将所述叶子吹干；接着，取干净载玻片并在所述载玻片上面平整贴好双面胶，然后将所述叶子正面朝上贴在所述载玻片上，剪去多余部分。

(2)将聚二甲基硅氧烷旋涂在所述叶片1的正面，静置预定时间后，将所述叶片1上形成的聚二甲基硅氧烷一次倒模2自所述叶片1剥离。

具体地，用压缩空气将叶子的表面灰尘吹干，然后将聚二甲基硅氧烷旋涂或者倒在所述叶子表面上，静置48小时以上等待聚二甲基硅氧烷固化。再将聚二甲基硅氧烷从所述载玻片上揭下，以得到聚二甲基硅氧烷一次倒模2，并将所述聚二甲基硅氧烷一次倒模2粘贴于另一个载玻片上。其中，采用常温静置48小时固化主要是为了防止在加热固化叶子受热水分蒸发导致微结构复制出现问题。

(3)在所述聚二甲基硅氧烷一次倒模2上制备疏水层。

具体地，将所述聚二甲基硅氧烷一次倒模2与氧气进行反应离子刻蚀处理，将三氯硅烷和乙醇按照1000:1的体积比配置成疏水溶液，并将所述聚二甲基硅氧烷一次倒模2放入所述疏水溶液中浸泡一小时以上进行疏水处理，之后采用压缩空气将所述聚二甲基硅氧烷一次倒模2的表面吹干。

(4)将聚二甲基硅氧烷旋涂在所述聚二甲基硅氧烷一次倒模2的微槽结构上，并将形成在所述聚二甲基硅氧烷一次倒模2上的聚二甲基硅氧烷二次倒模3自所述聚二甲基硅氧烷一次倒模2剥离，所述聚二甲基硅氧烷二次倒模3即为所述柔性基底。

具体地，将聚二甲基硅氧烷涂在所述聚二甲基硅氧烷一次倒模2上，然后将所述聚二甲基硅氧烷一次倒模2放入真空箱抽真空以将气泡排出。接着，将倒有聚二甲基硅氧烷的聚二甲基硅氧烷一次倒模2从真空箱拿出静置一段时间，等待表面自燃流平。之后，将聚二甲基硅氧烷一次倒模2在常温下或者具有一定温度的烘箱或者热板上固化，将固化后的聚二甲基硅氧烷从所述聚二甲基硅氧烷一次倒模2上揭下以得到具有天鹅绒竹芋叶子微结构的柔性基底。

本实施方式中，所述仿生微结构为拱形微柱，其平均直径为20μm左右，高度为20μm左右，实际起摩擦作用的是摩擦层表面的银纳米线，通过喷涂的工艺将银纳米线制成导电柔性膜，电阻约为10Ω/cm。

步骤二，分别在两个所述柔性基底的仿生微结构上制备一层银纳米线及微毛，并分别在对应的两个所述柔性基底与所述仿生微结所在表面相背的表面制备屏蔽层及负摩擦层背电极，由此得到正摩擦层及负摩擦层。

具体地，将银纳米线或者碳纳米管与乙醇按一定体积比配成稀释液，用喷笔将所述稀释液直接在所述柔性基底的微结构上喷涂一层银纳米线形成正摩擦层电极4；或者，将银纳米线或者碳纳米管与乙醇按一定体积比配成稀释液喷涂在具有微结构的聚二甲基硅氧烷一次倒模上，待干燥后在表面旋涂或者倒一层聚二甲基硅氧烷，待聚二甲基硅氧烷固化后将其撕下得到正摩擦层表面。最后，在所述正摩擦层的背面喷涂一层银纳米线作为屏蔽层5用以屏蔽外界电信号干扰。

所述负摩擦层制备时，采用真空蒸镀的方法在所述柔性基底的微结构上蒸镀一层聚四氟乙烯薄膜，并采用感应耦合等离子体刻蚀法将所述聚四氟乙烯薄膜刻蚀成多个微毛6，由此在所述仿生微结构上形成多个微毛6；之后，在所述柔性基底的背面喷涂一层银纳米线作为负摩擦层背电极，由此得到所述负摩擦层。

工作时，所述屏蔽层5在工作时需要接地，其主要是为了防止外界电磁信号对柔性力传感器输出的影响，当外界物体触碰上表面时会在表面产生摩擦电荷，如果没有屏蔽层，那么这些电荷所产生的电场将会对下层的输出信号造成干扰，无法确定最终的输出电信号是否为传感器本身的信号，增加屏蔽层并接地可以将干扰电荷排除。负摩擦层同样具有仿生微结构，制造方法与正摩擦层相同。通过摩擦电性序列表可知，聚四氟乙烯具有很强的电负性；在具有仿生微结构的基础上，通过真空蒸镀和感应耦合等离子体刻蚀方法在负摩擦层表面制造了一层聚四氟乙烯微毛，这极大地提升了力传感器的灵敏度和输出性能；同样通过喷涂工艺在在负摩擦层背面形成背电极，用于引出负摩擦层的电信号。

可以理解，在其他实施方式中，电极还可以采用其他可用于制备柔性电极的材料，如碳纳米管，铟锡氧化物，石墨烯等；所述柔性基底可以采用道康宁184型聚二甲基硅氧烷，其具有极高柔性，厚度可以有多种选择。

用银纳米线或者碳纳米管制备电极时，首先在喷笔中加入导电稀释溶液，通以一定压强的压缩空气，将导电稀释液雾化喷出至材料表面，由于稀释液为易挥发材料，所以喷出的导电溶液迅速干燥在材料表面上形成导电薄膜。

本实施方式中，蒸镀聚四氟乙烯的气压一般为8E-4帕斯卡以下，所加电流从零开始逐渐增加，最大加载电流为60安培左右；感应耦合等离子体刻蚀之后形成的表面微毛结构，遍布于仿生微拱形结构和周围。此外，由于PDMS(聚二甲基硅氧烷)具有很高的热膨胀性能，通过加热使其伸展，然后用PI(聚酰亚胺)胶带贴合，在温度降低后便形成了拱形结构，这有利于摩擦发电传感器的接触后自动分离过程，可以便于传感器对正压力和剪切力的测量。

其中，采用直接倾倒聚二甲基硅氧烷方式制备一次倒模，主要是为了增加厚度便于脱模，同样可以采用多次旋涂的方法；等离子体刻蚀的气体分别采用氧气、氩气、四氟化碳，气体流量分别为10sccm、15sccm、30sccm，用400瓦特功率产生等离子体，然后用100瓦特功率加速等离子体，刻蚀时间为5分钟。

步骤三，将所述正摩擦层与所述负摩擦层进行封装以形成柔性力传感器，所述正摩擦层的仿生微结构与所述负摩擦层的仿生微结构互扣以形成互锁。

具体地，通过聚酰亚胺胶带封装形成拱形结构，在受到压缩后能够有效自动分离而无需外力作用；将微结构进行倒扣形成互锁结构能够同时用于测量正压力和剪切力探测；当受到正压力作用时，上下两个摩擦层表面微结构相互嵌入接触摩擦，随着力的增大，接触面积增大，输出增大；当受到剪切力作用时，两表面微结构互嵌滑动，在拱形微结构的侧面滑动摩擦，产生电信号。

本发明还提供了一种仿生柔性力传感器，所述力传感器为双层结构，其包括相连接的正摩擦层及负摩擦层，所述正摩擦层相背的两个表面上分别设置有仿生微结构及屏蔽层，所述正摩擦层还包括正摩擦层电极，所述正摩擦层电极设置在对应的所述仿生微结构上；所述负摩擦层相背的两个表面上分别形成有仿生微结构及负摩擦层背电极，对应的所述仿生微结构及所述仿生微结构所在的表面的其余区域上形成有聚四氟乙烯微毛。

以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步地详细说明。

实施例1

本发明的实施例1提供的仿生柔性力传感器的制备方法主要包括以下步骤：

(1)将天鹅绒竹芋叶子用去离子水冲洗2分钟，然后用氮气将表面吹干；接着，用氮气将载玻片吹干净，并在载玻片上面粘上3M双面胶，将叶子正面朝上贴于载玻片上，然后切除多余部分，并再次用氮气吹干净表面灰尘。

(2)将聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂按照质量比10:1配比，搅拌5分钟，然后将得到的混合物放入真空度为-0.1兆帕斯卡的真空箱中抽真空20分钟去除混合物中的气泡。其中，聚二甲基硅氧烷采用道康宁公司Sylgard184型号。

(3)用注射器吸取9.4ml的聚二甲基硅氧烷，将聚二甲基硅氧烷注射在贴有天鹅绒竹芋叶子的载玻片上，并用注射器将聚二甲基硅氧烷推至叶子表面均布，置于水平台上静置48小时以上固化，将固化后的聚二甲基硅氧烷从树叶上揭下，厚度为500μm，将具有微结构一次倒模的一面朝上用3M双面胶贴于载玻片上。

(4)用反应离子刻蚀将带有天鹅绒竹芋叶子表面倒模结构的聚二甲基硅氧烷薄膜进行刻蚀，其中反应离子刻蚀参数为：氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间为90秒。

(5)将乙醇和三氯硅烷按照1:1000的体积比配置为疏水溶液，用磁力搅拌器将该疏水溶液搅拌5分钟；然后将离子刻蚀过的一次倒模聚二甲基硅氧烷薄膜放入其中浸泡1小时进行疏水处理，之后用氮气吹干。

(6)用注射器吸取5.6ml的聚二甲基硅氧烷，将聚二甲基硅氧烷注射在聚二甲基硅氧烷一次倒模上，并放入真空度为-0.1兆帕斯卡的真空箱内抽真空20分钟，然后取出在水平台上静置20分钟；再放入温度为90℃的烘箱中加热固化1小时。待固化后撕下以得到具有天鹅绒竹芋叶子表面微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，厚度约为300μm。

(7)正摩擦层表面制作，将先丰纳米公司的L30型超大长径比银纳米线(20mg/ml)与无水乙醇按照质量比为1:20配比成稀释溶液，摇晃溶液使其均匀分散；然后将得到的溶液倒入喷笔中，喷笔通以0.2兆帕斯卡的气压，在具有微结构的表面反复喷涂银纳米线，使得到的银纳米线薄膜的电阻达到10欧姆左右，然后将应纳米线薄膜放置在热板上加热干燥。

(8)屏蔽层制作，在正摩擦层背面喷涂一层银纳米线，电阻同样达到10欧姆左右。

(9)负摩擦层制作，将颗粒状聚四氟乙烯放入蒸镀用舟中，将具有微结构聚二甲基硅氧烷薄膜也放入，并真空抽至8E-4帕斯卡，然后从零开始逐渐增加电流进行蒸镀，电流最大增加至60安培，最后蒸镀厚度为150nm左右。

(10)负摩擦层制作，表面蒸镀聚四氟乙烯的柔性薄膜放入感应耦合等离子体刻蚀机中，等离子体刻蚀气体分别采用氧气、氩气、四氟化碳，气体流量分别为10sccm、15sccm、30sccm，用400瓦特功率产生等离子体，然后用100瓦特功率加速等离子体，刻蚀时间为5分钟，以得到聚四氟乙烯微毛结构。

(11)背电极层制作。

(12)导线引出，导电银浆作为连接材料，在铜箔前端沾上银浆并分别与正摩擦层、屏蔽层以及背电极层连接后置于热板上，90℃固化一小时。

(13)封装，将正摩擦层和负摩擦层置于90℃热板上加热使聚二甲基硅氧烷受热膨胀，然后用聚酰亚胺胶带分别贴在背电极以及屏蔽层上，从热板上拿下室温降温，这时聚二甲基硅氧烷由于热膨胀系数大会收缩，而聚酰亚胺胶带几乎没有变化，所以就会由平变成拱形，然后两摩擦层面对面将两端聚酰亚胺胶带连接起来，形成拱形结构传感器。

实施例2

本发明的实施例2提供的仿生柔性力传感器的制备方法主要包括以下步骤：

S1，将天鹅绒竹芋叶子用去离子水冲洗2分钟，然后用氮气将表面吹干；接着，用氮气将载玻片吹干净，并在载玻片上面粘上3M双面胶，将叶子正面朝上贴于载玻片上，然后切除多余部分，并再次用氮气吹干净表面灰尘。

S2，将聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂按照质量比10:1配比后搅拌5分钟，然后将得到的混合物放入真空度为-0.1兆帕斯卡的真空箱中抽真空20分钟以去除气泡。其中，聚二甲基硅氧烷采用道康宁公司Sylgard 184型号。

S3，用注射器吸取9.4ml的聚二甲基硅氧烷并注射在贴有天鹅绒竹芋叶子的载玻片上，用注射器将聚二甲基硅氧烷推至叶子表面均布，之后置于水平台上静置48小时以上固化，将固化后的聚二甲基硅氧烷从树叶上揭下，厚度为500μm，将具有微结构一次倒模的一面朝上用3M双面胶贴于载玻片上。

S4，用反应离子刻蚀将带有天鹅绒竹芋叶子表面倒模结构的聚二甲基硅氧烷薄膜进行刻蚀，其中反应离子刻蚀参数为：氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间为90秒。

S5，将乙醇和三氯硅烷按照体积比1:1000配置为疏水溶液，用磁力搅拌器将该疏水溶液搅拌5分钟，然后将离子刻蚀过的一次倒模聚二甲基硅氧烷薄膜放入疏水溶液中浸泡1小时以进行疏水处理，之后用氮气吹干。

S6，用注射器吸取5.6ml的聚二甲基硅氧烷并注射在聚二甲基硅氧烷一次倒模上后，放入真空度为-0.1兆帕斯卡的真空箱内抽真空20分钟，然后取出在水平台上静置20分钟；再放入温度为90℃的烘箱中加热固化1小时，待固化后撕下以得到具有天鹅绒竹芋叶子表面微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，厚度约为300μm。

S7，正摩擦层表面制作，将先丰纳米公司的L30型超大长径比银纳米线(20mg/ml)与无水乙醇按照质量比为1:20配比成稀释溶液，摇晃稀释溶液以均匀分散，然后将得到的溶液倒入喷笔中，喷笔通以0.2兆帕斯卡的气压，在处理后的一次倒模表面反复喷涂银纳米线，使其电阻达到10欧姆左右，然后放置在热板上加热使其干燥；之后用注射器吸取5.6ml的聚二甲基硅氧烷注射在喷涂有银纳米线的聚二甲基硅氧烷一次倒模上。放入真空度为-0.1兆帕斯卡的真空箱内抽真空20分钟，然后取出在水平台上静置20分钟，再放入温度为90℃的烘箱中加热固化1小时；待固化后撕下得到正摩擦层表面。

S8，屏蔽层制作，采用喷涂工艺直接在正摩擦层背面喷涂一层银纳米线，电阻达到10欧姆左右。

S9，负摩擦层制作，将颗粒状聚四氟乙烯放入蒸镀用舟中，将具有微结构聚二甲基硅氧烷薄膜放入，将真空抽至8E-4帕斯卡，然后从零开始逐渐增加电流进行蒸镀，电流最大增加至60安培，最后蒸镀厚度为150nm左右。

S10，负摩擦层制作，表面蒸镀聚四氟乙烯的柔性薄膜放入感应耦合等离子体刻蚀机中，等离子体刻蚀气体分别采用氧气、氩气、四氟化碳，气体流量分别为10sccm、15sccm、30sccm，用400瓦特功率产生等离子体，然后用100瓦特功率加速等离子体，刻蚀时间为5分钟，得到聚四氟乙烯微毛结构。

S11，背电极层制作，采用喷涂方法在负摩擦层背电极直接喷涂制造背电极。

S12，导线引出，导电银浆作为连接材料，在铜箔前端沾上银浆并分别与正摩擦层、屏蔽层以及背电极层连接后置于热板上，90℃固化一小时。

S13，封装，将正摩擦层和负摩擦层置于90℃热板上加热使聚二甲基硅氧烷受热膨胀，然后用聚酰亚胺胶带分别贴在背电极以及屏蔽层上，从热板上拿下室温下降温，这时聚二甲基硅氧烷由于热膨胀系数大会收缩，而聚酰亚胺胶带几乎没有变化，所以就会由平变成拱形，然后两摩擦层面对面将两端聚酰亚胺胶带连接起来，形成拱形结构传感器。

实施例3

本发明的实施例3提供的仿生柔性力传感器的制备方法主要包括以下步骤：

a1，将天鹅绒竹芋叶子用去离子水冲洗3分钟，然后用氮气将表面吹干；接着，用氮气将载玻片吹干净，并在载玻片上面粘上3M双面胶，将叶子正面朝上贴于载玻片上，然后切除多余部分，并再次用氮气吹干净表面灰尘。

a2，将聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂按照质量比10:1配比后搅拌5分钟，然后将得到的混合物放入真空度为-0.1兆帕斯卡的真空箱中抽真空20分钟以去除气泡。其中，聚二甲基硅氧烷采用道康宁公司Sylgard 184型号。

a3，用注射器吸取9.4ml的聚二甲基硅氧烷，并注射在贴有天鹅绒竹芋叶子的载玻片上，并用注射器将聚二甲基硅氧烷推至叶子表面均布，置于水平台上静置48小时以上固化，将固化后的聚二甲基硅氧烷从树叶上揭下，厚度为500μm，将具有微结构一次倒模的一面朝上用3M双面胶贴于载玻片上。

a4，用反应离子刻蚀将带有天鹅绒竹芋叶子表面倒模结构的聚二甲基硅氧烷薄膜进行刻蚀，其中反应离子刻蚀参数为：氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间90秒。

a5，将乙醇和三氯硅烷按照1:1000的体积比配置为疏水溶液，用磁力搅拌器将该疏水溶液搅拌5分钟，然后将离子刻蚀过的一次倒模聚二甲基硅氧烷薄膜放入疏水溶液中浸泡1小时进行疏水处理，之后用氮气吹干。

a6，用注射器吸取7.5ml的聚二甲基硅氧烷，并注射在聚二甲基硅氧烷一次倒模上后，放入真空度为-0.1兆帕斯卡的真空箱内抽真空20分钟，然后取出在水平台上静置20分钟；再放入温度为90℃的烘箱中加热固化1小时，待固化后将其撕下，得到具有天鹅绒竹芋叶子表面微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，厚度约为400μm。

a7，正摩擦层表面制作，将先丰纳米公司的L30型超大长径比银纳米线(20mg/ml)与无水乙醇按照质量比为1:20配比成稀释溶液，摇晃稀释溶液使其均匀分散，然后将其溶液倒入喷笔中，喷笔通以0.2兆帕斯卡的气压，在具有微结构表面反复喷涂银纳米线，使得到的银纳米线薄膜的电阻达到10欧姆左右，然后放置在热板上加热干燥。

a8，屏蔽层制作，在正摩擦层背面喷涂一层银纳米线，电阻同样达到10欧姆左右。

a9，负摩擦层制作，将颗粒状聚四氟乙烯放入蒸镀用舟中，将具有微结构聚二甲基硅氧烷薄膜放入，将真空抽至8E-4帕斯卡，然后从零开始逐渐增加电流进行蒸镀，电流最大增加至60安培，最后蒸镀厚度为150nm左右。

a10，负摩擦层制作，表面蒸镀聚四氟乙烯的柔性薄膜放入感应耦合等离子体刻蚀机中，等离子体刻蚀气体分别采用氧气、氩气、四氟化碳，气体流量分别为10sccm、15sccm、30sccm，用400瓦特功率产生等离子体，然后用100瓦特功率加速等离子体，刻蚀时间为5分钟，得到聚四氟乙烯微毛结构。

a11，背电极层制作。

a12，导线引出，导电银浆作为连接材料，在铜箔前端沾上银浆并分别与正摩擦层、屏蔽层以及背电极层连接后置于热板上，90℃固化一小时。

a13，封装，将正摩擦层和负摩擦层置于90℃热板上加热使聚二甲基硅氧烷受热膨胀，然后用聚酰亚胺胶带分别贴在背电极以及屏蔽层上，从热板上拿下室温下降温，这时聚二甲基硅氧烷由于热膨胀系数大会收缩，而聚酰亚胺胶带几乎没有变化，所以就会由平变成拱形，然后两摩擦层面对面将两端聚酰亚胺胶带连接起来，形成拱形结构传感器。

实施例4

本发明的实施例4提供的仿生柔性力传感器的制备方法主要包括以下步骤：

b1，将天鹅绒竹芋叶子用去离子水冲洗3分钟，然后用氮气将表面吹干；接着，用氮气将载玻片吹干净，并在载玻片上面粘上3M双面胶，将叶子正面朝上贴于载玻片上，然后切除多余部分，并再次用氮气吹干净表面灰尘。

b2，将聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂按照10:1质量比配比后搅拌5分钟，然后放入真空度为-0.1兆帕斯卡的真空箱中抽真空20分钟去除气泡。其中，聚二甲基硅氧烷采用道康宁公司Sylgard 184型号。

b3，用注射器吸取9.4ml的聚二甲基硅氧烷并注射在贴有天鹅绒竹芋叶子的载玻片上，并用注射器将聚二甲基硅氧烷推至叶子表面均布，置于水平台上静置48小时以上固化，将固化后的聚二甲基硅氧烷从树叶上揭下，厚度为500μm，将具有微结构一次倒模的一面朝上用3M双面胶贴于载玻片上。

b4，用反应离子刻蚀将带有天鹅绒竹芋叶子表面倒模结构的聚二甲基硅氧烷薄膜进行刻蚀，其中反应离子刻蚀参数为：氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间为90秒。

b5，将乙醇和三氯硅烷按照1:1000的体积比配置为疏水溶液，用磁力搅拌器将该疏水溶液搅拌5分钟，然后将离子刻蚀过的一次倒模聚二甲基硅氧烷薄膜放入疏水液中浸泡1小时以进行疏水处理，之后用氮气吹干。

b6，用注射器吸取5ml的聚二甲基硅氧烷，并注射在聚二甲基硅氧烷一次倒模上后，放入真空度为-0.1兆帕斯卡的真空箱内抽真空20分钟，然后取出在水平台上静置20分钟，再放入温度为90℃的烘箱中加热固化1小时，待固化后将其撕下，得到具有天鹅绒竹芋叶子表面微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，厚度约为300μm。

b7，正摩擦层表面制作，将先丰纳米公司的L30型超大长径比银纳米线(20mg/ml)与无水乙醇按照质量比为1:20配比成稀释溶液，摇晃稀释溶液以均匀分散，然后将得到的溶液倒入喷笔中，喷笔通以0.2兆帕斯卡的气压，在具有微结构表面反复喷涂银纳米线，使得到的银纳米线薄膜的电阻达到10欧姆左右，然后放置在热板上加热干燥。

b8，屏蔽层制作，在正摩擦层背面喷涂一层银纳米线，电阻同样达到10欧姆左右。

b9，负摩擦层制作，将颗粒状聚四氟乙烯放入蒸镀用舟中，将具有微结构聚二甲基硅氧烷薄膜放入，将真空抽至8E-4帕斯卡，然后从零开始逐渐增加电流进行蒸镀，电流最大增加至60安培，最后蒸镀厚度为150nm左右。

b10，负摩擦层制作，表面蒸镀聚四氟乙烯的柔性薄膜放入感应耦合等离子体刻蚀机中，等离子体刻蚀气体分别采用氧气、氩气、四氟化碳，气体流量分别为10sccm、15sccm、30sccm，用400瓦特功率产生等离子体，然后用100瓦特功率加速等离子体，刻蚀时间为5分钟，得到聚四氟乙烯微毛结构。

b11，背电极层制作。

b12，导线引出，导电银浆作为连接材料，在铜箔前端沾上银浆并分别与正摩擦层、屏蔽层以及背电极层连接后置于热板上，90℃固化一小时。

b13，封装，在亚克力板上旋涂一层厚度为500μm的聚二甲基硅氧烷，放置于90℃热板上加热一个小时固化，将固化的聚二甲基硅氧烷用小刀切出类似口字型垫片，并在所述垫片的表面涂抹聚二甲基硅氧烷液体，按照正摩擦层、垫片及负摩擦的顺序组合后置于热板上在90℃下加热固化1小时，最终得到传感器。其中，多个所述垫片连接于所述正摩擦层的边缘部位。

本发明提供的仿生柔性力传感器及其制备方法，所述制备方法对叶片表面的微结构进行复制得到模具，再基于所述模具进行倒模以得到柔性基底，所述柔性基底的表面形成有仿生微结构，并分别基于所述柔性基底制备正摩擦层及负摩擦层，且正摩擦层及负摩擦层的微结构互扣形成互锁结构，由此使得工作时的实际摩擦面积增大，可以实现正摩擦力和剪切力的同时测量，还可以测量机械手抓取东西时的压力分布。同时，所述负摩擦层的微结构上设置有聚四氟乙烯毛，如此可以极大地增强所述力传感器的输出和线性度。

本领域的技术人员容易理解，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 (10)

1.一种仿生柔性力传感器的制备方法，其特征在于：

(1)通过倒模技术制备得到柔性基底，所述柔性基底的表面形成有仿生微结构；

(2)分别在两个所述柔性基底的仿生微结构上制备正摩擦层电极及微毛(6)，并分别在对应的两个所述柔性基底与所述仿生微结所在表面相背的表面上制备屏蔽层(5)及负摩擦层背电极(7)，由此得到正摩擦层及负摩擦层；

(3)将所述正摩擦层与所述负摩擦层进行封装以形成柔性力传感器，所述正摩擦层的仿生微结构与所述负摩擦层的仿生微结构互扣以形成互锁。

2.如权利要求1所述的仿生柔性力传感器的制备方法，其特征在于：所述微毛(6)所在的表面未被所述仿生微结构覆盖的区域上也形成有微毛(6)。

3.如权利要求1所述的仿生柔性力传感器的制备方法，其特征在于：步骤(1)具体包括以下步骤：

(11)将清洗干净的、具有微结构的叶片(1)设置于载玻片上，且所述叶片(1)的正面朝上；

(12)将聚二甲基硅氧烷旋涂或者倒在在所述叶片(1)的正面，静置预定时间后，将所述叶片(1)上形成的聚二甲基硅氧烷一次倒模(2)自所述叶片(1)剥离；

(13)在所述聚二甲基硅氧烷一次倒模(2)上制备疏水层；

(14)将聚二甲基硅氧烷旋涂在所述聚二甲基硅氧烷一次倒模(2)上，并将形成在所述聚二甲基硅氧烷一次倒模(2)上的聚二甲基硅氧烷二次倒模(3)自所述聚二甲基硅氧烷一次倒模(2)剥离，所述聚二甲基硅氧烷二次倒模(3)即为所述柔性基底。

4.如权利要求3所述的仿生柔性力传感器的制备方法，其特征在于：所述预定时间为48小时。

5.如权利要求1所述的仿生柔性力传感器的制备方法，其特征在于：所述正摩擦层是在对应的仿生微结构上喷涂银纳米线形成的。

6.如权利要求1所述的仿生柔性力传感器的制备方法，其特征在于：采用真空蒸镀的方法在所述柔性基底的微结构上蒸镀一层聚四氟乙烯薄膜，并采用感应耦合等离子体刻蚀法将所述聚四氟乙烯薄膜刻蚀成多个所述微毛(6)。

7.如权利要求1-6任一项所述的仿生柔性力传感器的制备方法，其特征在于：通过聚酰亚胺胶带将所述正摩擦层与所述负摩擦层进行封装，以形成拱形的所述柔性力传感器。

8.如权利要求1-6任一项所述的仿生柔性力传感器的制备方法，其特征在于：所述叶片(1)为天鹅绒竹芋叶子或者荷叶。

9.一种仿生柔性力传感器，其特征在于：所述仿生柔性力传感器是采用权利要求1-8任一项所述的仿生柔性力传感器的制备方法制备成的。

10.如权利要求1所述的仿生柔性力传感器，其特征在于：所述仿生微结构为拱形微柱，其平均直径为20μm，高度为20μm。