CN110763375B - 一种介电层、离子电容式柔性触觉传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种介电层、离子电容式柔性触觉传感器及其制备方法和应用，所述介电层的表面设置有至少两个不同微米尺寸的凸起结构，所述介电层的表面还设置有凹槽结构，所述凹槽结构用于承接压力作用下压入的凸起结构；介电层通过分级自填充微结构的设置，使介电层在超宽压力范围内显示出较大的可压缩性和变形性；该介电层应用于电容式柔性触觉传感器使得传感器具有较高的灵敏度、较宽的响应范围、较低的检出限、较快的响应时间、较好的稳定性以及极高的压力分辨率；其在机器人、人体健康监测以及高压传感领域等具有较大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，涉及一种介电层、离子电容式柔性触觉传感器及其制备方法和应用，尤其涉及一种基于分级自填充微结构的介电层、离子电容式柔性触觉传感及其制备方法和应用。
背景技术
皮肤作为人体最大的器官，是我们与周围环境相互作用的物理屏障，允许我们感知各种形状、纹理和不同程度的接触压力。创造类似人类感官能力的柔性触觉传感器可以使机器人更好实现人机交互(如照顾老人)，使假肢帮助残疾人更好的感知外界，在医疗诊断方面可实现更及时、准确的人体健康监测及诊断，所以柔性触觉传感器在机器人、假肢及医疗诊断等领域具有巨大应用前景。在机器人操作(如搬运重物)、高速流体压力测试等应用中，对柔性触觉传感器在较宽压力传感范围的灵敏度及高压力下的分辨率提出了更高的要求。目前已开发出的柔性触觉传感器基于电容型、电阻型、压电型和摩擦四种传感机制。其中，电容型触觉传感器因其结构简单、动态响应好、功耗低等优点得到广泛发展。
传统的电容型传感器由于介质的不可压缩性和粘弹性，通常有表现出低灵敏度和低响应速度。制备具有微结构的电极或介电层可以提高传感器灵敏度和响应速度，如微金字塔、微褶皱、微柱阵列以及从植物(如荷叶、玫瑰花)中复制的微结构。除了引入微结构外，利用离子型弹性体作为介电层，使介电层与电极之间的界面形成双电层电容来提高界面电容密度，可进一步提高传感器的灵敏度，但无法实现宽压力范围下的高灵敏度及压力分辨率。这主是因为这些结构在压缩过程中的变形容易饱和，尤其在高压下，微结构基本不发生形变(结构硬化)，即使引入双电层电容，电容信号也无法进一步增加，导致高压下灵敏度很低，压力响应范围较窄。
鉴于此，本发明提出一种基于分级自填充微结构的离子电容式柔性触觉传感及其制备方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明在于提供一种介电层、离子电容式柔性触觉传感器及其制备方法和应用，介电层通过分级自填充微结构的设置，使介电层在超宽压力范围内显示出较大的可压缩性和变形性；该介电层应用于电容式柔性触觉传感器使得传感器具有较高的灵敏度、较宽的响应范围、较低的检出限、较快的响应时间、较好的稳定性以及极高的压力分辨率；其在机器人、人体健康监测以及高压传感领域等具有较大的应用前景。
本发明的目的之一在于提供一种介电层，所述介电层的表面设置有至少两个不同微米尺寸的凸起结构，所述介电层的表面还设置有凹槽结构，所述凹槽结构用于承接压力作用下压入的凸起结构。
在本发明中，上述结构也称为分级自填充微结构，介电层的表面设置有不同微米尺寸的凸起结构，主要是指介电层的第一面以及与第一面相对的第二面的表面设置有不同纳米尺寸的凸起结构，优选介电层的第一面的表面设置有不同纳米尺寸的凸起结构，便于后续用于传感器中，便于压合；其中至少两个不同纳米尺寸的凸起结构是指至少有两个凸起结构的凸出的高度不同，其中高度差最大值不高于30微米在微压力作用下，高度较大的凸起结构与电极接触；随压力的增加，高度较大的凸起结构被压倾斜，高度较低的凸起结构同时与电极接触，使电极与介电层的接触面积进一步增加；在高压下，凸起结构被压入凹槽，显示出更大的可压缩性和变形性。凹槽的作用是在外力作用下，能够将凸起结构压到凹槽中，凹槽可以与凸起结构对应设置，也可以不对应设置，只要满足能够将凸起结构压入到凹槽结构中即可；其中本发明对凹槽的结构以及尺寸不做具体限定，只要满足能够将凸起结构压到所述凹槽中即可，具体选择本领域技术人员可根据实际需要进行调整。在本发明中，介电层为离子凝胶薄膜层，与非离子型介电层相比，离子型介电层因为引入双电层电容，能够提供非常高的电容密度，即使施加非常小的压力，也可引起较大的电容变化。
在本发明中，所述离子凝胶薄膜层包括聚乙烯醇和磷酸的复合层。
在本发明中，所述聚乙烯醇和磷酸的复合层中聚乙烯醇和磷酸的质量比为1:(0.25-7)，例如1:0.25、1:0.5、1:0.75、1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5、1:5、1:5.5、1:6、1:6.5、1:7等。
在本发明中，所述介电层的厚度为30～200μm，例如30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm等。
本发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述介电层的制备方法，所述介电层的制备方法包括：将磷酸加入到聚乙烯醇溶液中，混合，固化，得到所述介电层。
在本发明中，所述聚乙烯醇溶液是通过将聚乙烯醇溶于水中，搅拌得到的。
在本发明中，所述搅拌的温度为70-90℃，例如70℃、72℃、75℃、77℃、80℃、82℃、85℃、87℃、90℃等。
在本发明中，所述混合的温度为20-40℃，例如20℃、22℃、25℃、27℃、30℃、32℃、35℃、37℃、40℃等。
在本发明中，所述混合的时间为0.5-1.5h，例如0.5h、0.7h、1h、1.2h、1.5h等。
在本发明中，所述固化包括：将混合后得到的混合液浇铸在砂纸表面，干燥，将固化膜从砂纸表面剥离。
在本发明中，介电层一侧表面的结构和砂纸表面的结构相同。
在本发明中，所述砂纸的目数为180-10000目，例如180目、200目、300目、400目、500目、600目、700目、800目、900目、1000目、2000目、5000目、8000目、10000目等。
在本发明中，所述砂纸包括1000目、5000目或10000目中的任意一种。
本发明的目的之三在于提供一种离子电容式柔性触觉传感器，所述离子电容式柔性触觉传感器包括介电层以及位于介电层两侧的电极层，所述介电层为目的之一所述的介电层。
在本发明中，离子电容式柔性触觉传感器具有灵敏度高、响应范围宽、检出限低、响应时间快、稳定性好以及压力分辨率极高的特性，在机器人、人体健康监测、运动监测以及高压传感领域具有较大的应用前景。
本发明对传感器的形状不做具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行调整，示例性地包括圆形、矩形等；本发明对传感器的尺寸也不做具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行调整，示例性地包括微米级、毫米级以及厘米级等。
在本发明中，所述电极层包括PI/Au层以及引线，所述引线的一自由端与PI/Au层相连，另一自由端与测试端相连。
在本发明中，所述PI/Au层为表面设置有金层的聚酰亚胺薄膜层。
在本发明中，所述PI/Au层为聚酰亚胺薄膜层与介电层相接触的一侧表面设置有金层。
在本发明中，所述PI/Au层中PI膜的厚度为20～100μm，例如20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm等。
在本发明中，所述PI/Au层中Au膜的厚度为30～200nm，例如30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm等。
在本发明中，所述引线包括银线、铜箔或漆包线中的任意一种或至少两种的组合。
在本发明中，所述电极层的制备方法包括：以PI膜为基底，在PI膜表面蒸镀Au层，得到PI/Au层，而后通过导电胶将PI/Au层和引线连接在一起，得到所述电极层。
优选地，所述引线为银线。
优选地，所述导电胶为银胶。
在本发明中，所述电极层为PI/Au微米阵列电极。
在本发明中，所述PI/Au微米阵列电极的制备方法包括：在PI膜表面旋涂光刻胶，而后加盖掩膜板，曝光使光刻胶暴露区交联，除去交联区域的光刻胶，而后镀Au膜，并去除未曝光的光刻胶，得到所述PI/Au微米阵列电极。
在本发明中，所述旋涂的速率为2000-3000rpm，例如2000rpm、2100rpm、2200rpm、2300rpm、2400rpm、2500rpm、2600rpm、2700rpm、2800rpm、2900rpm、3000rpm等。
在本发明中，所述旋涂的时间为20-40s，例如20s、22s、25s、27s、30s、32s、35s、37s、40s等。
在本发明中，所述制备方法还包括在旋涂光刻胶之后在90-120℃(90℃、92℃、95℃、97℃、100℃、102℃、105℃、107℃、110℃、112℃、115℃、117℃、120℃等)干燥120-240s(例如120s、130s、140s、150s、160s、170s、180s、190s、200s、210s、220s、230s、240s等)。
在本发明中，所述曝光是在紫外光条件下进行曝光的。
在本发明中，所述曝光的时间为5-10s，例如5s、6s、7s、8s、9s、10s等。
在本发明中，所述除去交联区域的光刻胶是通过显影剂除去的。
在本发明中，所述除去交联区域的光刻胶的时间为0.5-2min，例如0.5min、0.7min、1min、1.2min、1.5min、1.7min、2min等。
在本发明中，所述制备方法还包括将除去光刻胶交联区域得到预制品在70-100℃(例如70℃、72℃、75℃、77℃、80℃、82℃、85℃、87℃、90℃、92℃、95℃、97℃、100℃等)干燥8-15min(例如8min、9min、10min、11min、12min、13min、14min、15min等)。
在本发明中，所述镀Au层是通过电子束蒸镀设备进行蒸镀的。
在本发明中，所述去除未曝光的光刻胶是通过丙酮除去的。
在本发明中，所述电极层的制备方法还包括在电极层上设置引线。
在本发明中，所述引线是通过胶粘结在电极层上。
本发明的目的之四在于提供一种离子电容式柔性触觉传感器的制备方法，所述离子电容式柔性触觉传感器的制备方法包括：将层叠设置的电极层和介电层封装在一起，得到所述离子电容式柔性触觉传感器。
在本发明中，所述封装的方式为通过胶带封装在一起。
本发明的目的之五在于提供一种如目的之三所述的离子电容式柔性触觉传感器在医疗器械中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明中介电层通过分级自填充微结构的设置，使介电层在超宽压力范围内(0.08Pa～360KPa)显示出较大的可压缩性和变形性；该介电层应用于电容式柔性触觉传感器使得传感器极宽的压力传感范围下(0.08Pa～360KPa)具有较高的灵敏度(Smax>3300kPa-1，Smin>229kPa-1)、较宽的响应范围、较低的检出限(低至0.08Pa)、较快的响应时间(＜16ms)、较好的稳定性(在压力为50kPa循环压缩20000次、弯曲半径为6.5mm循环弯曲2000次，其响应信号强度基本未发生变化)以及极高的压力分辨率(18Pa或5.6×10-5)；其在机器人、人体健康监测以及高压传感领域等具有较大的应用前景。
附图说明
图1是实施例1中介电层的结构示意图；
图2为实施例1中离子电容式柔性触觉传感器的结构示意图；
图3为介电层的截面扫描电镜图；
图4为实施例1中离子电容式柔性触觉传感器的灵敏度曲线；
图5为实施例1中离子电容式柔性触觉传感器的检出限；
图6为实施例1中离子电容式柔性触觉传感器的响应时间；
图7为实施例2中离子电容式柔性触觉传感器的压缩循环稳定性测试图；
图8为实施例2中离子电容式柔性触觉传感器的弯曲循环稳定性测试图；
图9为实施例3中离子电容式柔性触觉传感器的在320kPa的高压下检测3种微压物体的示意图；
图10为图9的响应电容信号图；
图11为实施例3中测试轿车及在轿车后轮下柔性触觉传感器的位置示意图；
图12为图11中轿车后备箱中装载和卸载一袋1.7kg纸巾引起的电容信号变化；
图13为图11中50kg女性上下车对应的电容信号变化；
图14为实施例4中微电极的制备工艺图；
图15为实施例4中微型传感阵列及微电极的光学图片；
图16为图15中微传感器阵列的压力分布图(矩形)；
图17为图15中微传感器阵列的压力分布图(三角形)；
图18为对比例1中介电层表面的扫描电镜图；
图19为对比例1与实施例1中传感器的灵敏度对比曲线；
图20为对比例2中介电层表面的扫描电镜图，左上图为介电层表面的局部放大图；
图21为对比例2与实施例1中传感器的灵敏度对比曲线；
图22为对比例3中传感器的灵敏度对比曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种介电层，结构如图1所示，介电层的一侧表面设置有至少两个不同微米尺寸的凸起结构1，且介电层的一侧的表面还设置有凹槽结构2，凹槽结构2用于承接压力作用下压入的凸起结构1；其中介电层为聚乙烯醇/磷酸复合层。
本实施例还提供一种离子电容式柔性触觉传感器，如图2所示，包括介电层101以及设置在介电层101两侧的电极层100；其中电极层包括PI/Au层以及与PI/Au层相连的引线。
离子电容式柔性触觉传感器的制备方法包括：
(1)电极层的制备方法包括：以厚度为50μm的PI膜作为基底，采用电子束蒸镀的方法在其表面蒸镀50nm厚的Au膜，得到PI/Au膜；之后用CO2激光切割机将PI/Au膜切割成7×7mm的方形，使用银线作为导电引线(一端接电极，一端接测试端)，并通过银胶将PI/Au电极与导电引线粘接，得到电极层。
(2)介电层的制备方法包括：取1g PVA粉末于烧瓶中，加入20g去离子水，在90℃下加热搅拌至溶解；待冷却至室温后，加入1.2g H3PO4，继续搅拌约1h；将PVA//H3PO4溶液浇铸于5000目的砂纸(鹰斧砂纸，购于安庆市歌丽尔商贸有限公司)表面，室温干燥，待水分蒸发后，将PVA//H3PO4离子膜从砂纸表面轻轻剥离，并用切割机切成7×7mm的方形，得到介电层。
(3)器件封装：以上述制备的电极层为上下电极，将介电层置于上下电极之间，用3M胶带将三层结构封装，得到离子电容式柔性触觉传感器。
图3为介电层的扫描电镜图(扫描电镜的型号MIRA3，FE-SEM，购买厂家TESCAN)，从图3可知，介电层表面由“凹槽”及具有高度梯度凸起的“脊”组成(部分“凹槽”及“凸起”结构已标出)。在微压力作用下，高度较大“脊”与电极接触；随压力的增加，高度较大的“脊”被压倾斜，高度较低的“脊”同时与电极接触，电极与介电层的接触面积进一步增加；在高压下，“脊”被压入“凹槽”，显示出更大的变形性。与“金字塔”、“半球形”、“微柱”结构相比，这种分级自填充结构可以在超宽压力范围内表现出较大的可压缩性和变形性。
电容式压力传感器的灵敏度定义为S＝δ(ΔC/C0)/δP，ΔC＝C-C0，C为C0为当前测试电容和初始电容，当前测试电容与初始电容的差值即为响应电容，P为施加的压强。传统电容器的储能能力用公式C＝εS/d来定义，其中ε为介电常数，S与d分别为介电层与电极之间的接触面积与正负之间的距离。电容式传感器的传感机理依赖于S和d的变化，S增加，C增加，而这种分级自填充的结构在超宽的压力范围下可提供较大的面积变化，可有效拓宽压力传感范围；此外，在离子电容式传感器中，因为形成双电层电容(d≈1nm)，即使外加压强非常小，也可引起较大的电容变化。综上原因，这种基于分级自填充结构的离子电容式柔性触觉传感器具有超高灵敏度，并且传感范围极宽，如图4所示(Smax>3300kPa-1，Smin>229kPa-1)。
此外，所述离子电容式柔性触觉传感器检出限低(0.08Pa)，如图5所示；且响应时间快(<16ms)，如图6所示。
实施例2
本实施例提供一种介电层，介电层的一侧表面设置有至少两个不同微米尺寸的凸起结构，且介电层的一侧的表面还设置有凹槽结构，凹槽结构用于承接压力作用下压入的凸起结构；其中介电层为聚乙烯醇/磷酸复合层。
本实施例还提供一种离子电容式柔性触觉传感器，包括介电层以及设置在介电层两侧的电极层；其中电极层包括PI/Au层以及与PI/Au层相连的引线。
离子电容式柔性触觉传感器的制备方法包括：
(1)电极层的制备方法包括：以厚度为40μm的PI膜作为基底，采用电子束蒸镀的方法在其表面蒸镀100nm厚的Au膜，得到PI/Au膜；之后用CO2激光切割机将PI/Au膜切割成半径r＝7.5mm的圆形、3×15mm的矩形，使用银线作为导电引线(一端接电极，一端接测试端)，并通过银胶将PI/Au电极与导电引线粘接得到电极层。
(2)介电层的制备方法包括：取1g PVA粉末于烧瓶中，加入10g去离子水，在90℃下加热搅拌至溶解；待冷却至室温后，加入1g H3PO4，继续搅拌约1h；将PVA//H3PO4溶液浇铸于1000目的砂纸(鹰斧砂纸，购于安庆市歌丽尔商贸有限公司)表面，室温干燥，待水分蒸发后，将PVA//H3PO4离子膜从砂纸表面轻轻剥离；用激光切割机将PVA//H3PO4膜切割成半径r＝4mm的圆形、3×15mm的矩形，得到介电层。
(3)器件封装：以上述制备的电极层为上下电极，将介电层置于上下电极之间，用3M胶带将三层结构封装，得到半径r＝4mm的圆形及3×15mm的矩形离子电容式柔性触觉传感器。
对于电容式柔性触觉传感器，机械耐久性和抗疲劳性对信号稳定的输入和输出起着至关重要的作用。这里，采用半径为4mm的圆形电容式柔性触觉传感器进行压缩循环试验，如图7所示，在压强为50kPa下压缩/释放循环20000次，响应电容信号没有漂移或波动，显示出良好的机械稳定性。除了循环压缩测试之外，3×15mm的矩形电容式柔性触觉传感器被用来进行弯曲循环测试，如图8，弯曲/释放循环2000次后(弯曲半径r＝6.5mm)，没有明显的疲劳，电容信号稳定，证明该柔性传感器具有良好的柔性和抗疲劳性。
实施例3
本实施例提供一种介电层，介电层的一侧表面设置有至少两个不同微米尺寸的凸起结构，且介电层的一侧的表面还设置有凹槽结构，凹槽结构用于承接压力作用下压入的凸起结构；其中介电层为聚乙烯醇/磷酸复合层。
本实施例还提供一种离子电容式柔性触觉传感器，包括介电层以及设置在介电层两侧的电极层；其中电极层包括PI/Au层以及与PI/Au层相连的引线。
离子电容式柔性触觉传感器的制备方法包括：
(1)电极层的制备方法包括：以厚度为100μm的PI膜作为基底，采用电子束蒸镀的方法在其表面蒸镀100nm厚的Au膜，得到PI/Au膜；之后用CO2激光切割机将PI/Au膜切割成r＝8mm的圆形及1×1cm的方形，使用银线作为导电引线(一端接电极，一端接测试端)，并通过银胶将PI/Au电极与导电引线粘接，得到电极层。
(2)介电层的制备方法包括：取2g PVA粉末于烧瓶中，加入15g去离子水，在90℃下加热搅拌至溶解；待冷却至室温后，加入2.5g H3PO4，继续搅拌约1h；将PVA//H3PO4溶液浇铸于10000目的砂纸(鹰斧砂纸，购于安庆市歌丽尔商贸有限公司)表面，室温干燥，待水分蒸发后，将PVA//H3PO4离子膜从砂纸表面轻轻剥离。之后用激光切割机将PVA//H3PO4膜切割成r＝8mm的圆形和1×1cm的方形，得到介电层。
(3)器件封装：以上述制备的电极层为上下电极，将介电层置于上下电极之间，用3M胶带将三层结构封装，得到半径r＝8mm的圆形及1×1mm的矩形离子电容式柔性触觉传感器。
压力分辨率是传统压力传感器的一个关键参数，在柔性触觉传感器或电子皮肤中，这一关键参数往往被忽略。在本发明中，我们测试了柔性触觉传感器在超高压下的压力分辨率。如图9所示，将一根r＝8mm连杆(12.5g)置于柔性传感器(r＝8mm)表面，然后将重约6.4kg的混凝土砖堆叠在连杆上(如①)，其压强P0＝320kPa，然后在砖表面依次轻轻放置一支铅笔(ΔP～300Pa)(如②)、一个自制的书签(ΔP～40Pa)(如③)和纤维制的羽毛(ΔP～18Pa)(如④)。图10显示了相应的电容变化，结果证明这种柔性传感器可以精确地记录和区分每个微小的压力变化。人类皮肤在小压力下通常可以分辨8％的压差，而这里公开的柔性触觉传感器可以在320kPa的超高压下可检测到18Pa的微压信号，即压力分辨率为5.6×10-5，比人体皮肤对力的分辨率高出至少四个数量级，这种传感器在机器人对重物的精确操纵和风洞试验中的压力分辨率方面具有重要作用。
在另一个实验中，将一个尺寸1×1cm的方形传感器放置在汽车后轮下(2000kg，产生几百千帕的压力)，如图11中箭头所示位置。从汽车后备箱中取下一袋重为1.7kg的纸巾，然后重新装载，如图12所示，这种柔性触觉传感器可成功检测到装载和卸载时的电容变化。此外，当一名重50kg的女性上、下车时，可以检测到较大的电容变化(图13)，并且及时反映出上、下车时由于震动而产生的信号(图13中圈出位置)，证明该柔性传感器不但对动态压力的响应迅速且灵敏，同时可以为静态压力提供稳定的输出，具有优越的传感性能。
实施例4
本实施例提供一种介电层，介电层的一侧表面设置有至少两个不同微米尺寸的凸起结构，且介电层的一侧的表面还设置有凹槽结构，凹槽结构用于承接压力作用下压入的凸起结构；其中介电层为聚乙烯醇/磷酸复合层。
本实施例还提供一种离子电容式柔性触觉传感器，包括介电层以及设置在介电层两侧的电极层；电极层为PI/Au微米阵列电极。
离子电容式柔性触觉传感器的制备方法包括：
(1)电极层的制备：微电极的制备工艺如图14所示。首先，在PI膜表面旋涂光刻胶(瑞虹RZJ304)，转速2500rpm，时间30s；然后于100℃干燥180s，获得厚度为3μm的正性光刻胶；加盖掩膜版，在紫外光下曝光8s使光刻胶暴露区域交联；采用显影剂显影，去除交联区域的光刻胶；干燥后，在其表面镀50nm厚的Au膜；将镀Au的样品浸入丙酮，去除未曝光的光刻胶。利用上述方法，制得6×6的微电极阵列(阵列单元为直径＝60μm的圆，单元间的间隔为150μm)。
(2)介电层的制备：取1g PVA粉末于烧瓶中，加入10g去离子水，在90℃下加热搅拌至溶解；待冷却至室温后，加入1.5g H3PO4，继续搅拌约1h；将PVA/H3PO4溶液浇铸于10000#的砂纸表面，室温干燥，待水分蒸发后，将PVA/H3PO4离子膜从砂纸表面轻轻剥离；用激光切割机将PVA//H3PO4膜切割1.2mm×1.2mm的方形。
(3)器件封装：以6×6的PI/Au微电极阵列作为上电极，1.2mm×1.2mm的方形PI/Au膜作为下电极，PVA/H3PO4膜作为介电层置于中间，采用胶带将三层结构封装，得到微型传感器阵列，如图15所示。
本发明所公布的电容式柔性触觉传感器由于双电层电容的存在，具有极高的电容密度(与传统电容式传感器相比)，所以即使将传感器微型化，仍表现出高信噪比。如图16和图17，将重为0.2g的矩形橡胶分别放置在微型传感器阵列的不同位置，结果显示出该微型传感阵列可精准确的反应从橡胶的位置及与传感器接触的形状。高的空间分辨率(位置、形状)往往需要引入晶体管，而晶体管的成本较高，制备过程复杂。值得注意的是，我们的微传感器阵列中没有使用晶体管，依然具有很高的空间分辨率，而且制备过程相对简单，且成本较低，因此，这里公开的微型触觉传感阵列有望成为高密度传感阵列的理想候选器件。
对比例1
与实施例1的区别仅在于介电层的一侧的表面为规则的锥型结构(如图18所示)，其余组成以及制备方法均与实施例1相同。
将对比例1得到的传感器进行与实施例1相同的测试方法，测试得到的灵敏度曲线如图19所示，通过对比可知实施例1中传感器的灵敏度远高于对比例1中传感器的灵敏度。
对比例2
与实施例1的区别仅在于介电层的一侧的表面为规则半球形结构(如图20所示，图20的左上角为规则半球形结构的局部放大图)，其余组成以及制备方法均与实施例1相同。
将对比例2得到的传感器进行与实施例1相同的测试方法，测试得到的灵敏度曲线如图21所示，通过对比可知实施例1中传感器的灵敏度远高于对比例2中传感器的灵敏度。
对比例3
与实施例1的区别仅在于将实施例1中的PVA/H3PO4膜层替换为PVA膜层，其余制备方法均与实施例1相同。
将对比例3得到的传感器进行与实施例1相同的测试方法，测试得到灵敏度曲线如图22所示，通过对比可知，实施例1中传感器的灵敏度远高于对比例3中传感器的灵敏度。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (34)
1.一种离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述离子电容式柔性触觉传感器包括介电层以及位于介电层两侧的电极层，所述介电层的表面设置有至少两个不同微米尺寸的凸起结构，所述介电层的表面还设置有至少两个凹槽结构，所述凹槽结构用于承接压力作用下压入的凸起结构；
所述凹槽结构与所述凸起结构对应设置；使得所述介电层的凸起结构均能够在压力作用下自填充在相应的所述凹槽结构内；所述介电层为离子凝胶薄膜层；所述离子凝胶薄膜层包括聚乙烯醇和磷酸的复合层；
所述离子电容式柔性触觉传感器在0.08Pa～360kPa的压力传感范围内具有的灵敏度S满足Smax>3300kPa-1，Smin>229kPa-1。
2.根据权利要求1所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述聚乙烯醇和磷酸的复合层中聚乙烯醇和磷酸的质量比为1:(0.25-7)。
3.根据权利要求1所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述介电层的厚度为30～200μm。
4.根据权利要求1所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述介电层的制备方法包括：将磷酸加入到聚乙烯醇溶液中，混合，固化，得到所述介电层。
5.根据权利要求4所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述聚乙烯醇溶液是通过将聚乙烯醇溶于水中，搅拌得到的。
6.根据权利要求5所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述搅拌的温度为70-90℃。
7.根据权利要求4所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述混合的温度为20-40℃。
8.根据权利要求4所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述混合的时间为0.5-1.5h。
9.根据权利要求4所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述固化包括：将混合后得到的混合液浇铸在砂纸表面，干燥，将固化膜从砂纸表面剥离。
10.根据权利要求9所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述砂纸的目数为180-10000目。
11.根据权利要求10所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述砂纸包括1000目、5000目或10000目中的任意一种。
12.根据权利要求1所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述电极层包括PI/Au层以及引线，所述引线的一自由端与PI/Au层相连，另一自由端与测试端相连。
13.根据权利要求12所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述PI/Au层为表面设置有金层的聚酰亚胺薄膜层。
14.根据权利要求12所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述PI/Au层为聚酰亚胺薄膜层与介电层相接触的一侧表面设置有金层。
15.根据权利要求12所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述PI/Au层中PI膜的厚度为20～100μm。
16.根据权利要求12所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述PI/Au层中Au膜的厚度为30～200nm。
17.根据权利要求12所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述引线包括银线、铜箔或漆包线中的任意一种或至少两种的组合。
18.根据权利要求1所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述电极层的制备方法包括：以PI膜为基底，在PI膜表面蒸镀Au层，得到PI/Au层，而后通过导电胶将PI/Au层和引线连接在一起，得到所述电极层。
19.根据权利要求18所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述导电胶为银胶。
20.根据权利要求1所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述电极层为PI/Au微米阵列电极。
21.根据权利要求20所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述PI/Au微米阵列电极的制备方法包括：在PI膜表面旋涂光刻胶，而后加盖掩膜板，曝光使光刻胶暴露区交联，除去交联区域的光刻胶，而后镀Au膜，并去除未曝光的光刻胶，得到所述PI/Au微米阵列电极。
22.根据权利要求21所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述旋涂的速率为2000-3000rpm。
23.根据权利要求21所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述旋涂的时间为20-40s。
24.根据权利要求21所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述制备方法还包括在旋涂光刻胶之后于90-120℃下干燥120-240s。
25.根据权利要求21所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述曝光是在紫外光条件下进行曝光的。
26.根据权利要求21所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述曝光的时间为5-10s。
27.根据权利要求21所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述除去交联区域的光刻胶是通过显影剂除去的。
28.根据权利要求21所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述除去交联区域的光刻胶的时间为0.5-2min。
29.根据权利要求21所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述制备方法还包括将除去光刻胶交联区域得到预制品在70-100℃干燥8-15min。
30.根据权利要求21所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述镀Au层是通过电子束蒸镀设备进行蒸镀的。
31.根据权利要求21所述的离子电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述去除未曝光的光刻胶是通过丙酮除去的。
32.根据权利要求1-31任一项所述的离子电容式柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述离子电容式柔性触觉传感器的制备方法包括：将层叠设置的电极层和介电层封装在一起，得到所述离子电容式柔性触觉传感器。
33.根据权利要求32所述的制备方法，其特征在于，所述封装的方式为通过胶带封装在一起。
34.根据权利要求1-31任一项所述的离子电容式柔性触觉传感器在机器人或医疗器械中的应用。
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