CN111352525B - 一种低压力的电容式触觉感测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用以测量0.5kPa至20kPa触觉压力的低压力电容式触觉感测器，该感测器包含一个第一柔性电极层；一个第二柔性电极层；一个微图案化、不连续、柔性、在60秒或更短时间内紫外线固化的弹性纳米压印聚合物电介质层；以及一个屏蔽层分别位于所述电容式触觉感测器的所述第一电极层的上方和所述第二电极层的下方，以减少电磁干扰和电容干扰。本发明的电容式触觉感测器的压力感测范围为0.5kPa至20kPa、灵敏度大于0.12pF/kPa。本发明还提供了一种制备电容式触觉感测器的方法。

Description

一种低压力的电容式触觉感测器及其制备方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月21日提交的美国临时申请第62/917,644号的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种低压力的电容式触觉感测器、一种电容式触觉感测系统、制备该电容式触觉感测器的方法，以及涉及本发明电容式触觉感测器或电容式触觉感测系统的应用。

背景技术

电子皮肤的发展在学界和工业界中受到越来越多关注，具有压力感测能力的智能机器人皮肤可以帮助机器人在未知环境中运行，并与人或物体安全地交互。为了让机器人皮肤拥有更像人类的感官功能，研究主要集中于具有高灵敏度的感测装置。触觉感测器是一种用于测量本体与环境之间物理交互信息的设备，其在机器人发展过程中扮演十分重要的角色。除此之外，触觉感测器也可以应用于我们的生活物品中，譬如电梯按钮,手机、电脑硬件、家用电器，或应用于不同技术领域中，譬如人体健康评估，柔性触摸屏，显示器和安全系统。

触觉感测器通过信号传输可以快速、准确地将低压力信号(例如：触摸产生的触觉信号)转换为电信号形式。根据不同的操作原理，触觉感测器主要被分为四类，包括压阻式、压电式、电容式、及弹阻式触觉感测器。其中，电容式触觉感测器和压阻式触觉感测器已被广泛研究。

压阻式触觉感测器利用材料的压阻效应进行操作，大多数金属材料与半导体材料都具有此压阻特性。当压阻式触觉感测器受到外力作用时，其内部结构和外型会产生变化，从而使这些压阻性元件的阻值改变。但此类压阻式触觉感测器会因温度变化而有信号漂移情况和耗电量高。

电容式触觉感测器利用电容的变化来感测压力。与压阻式的感测器相比，电容式压力感测器在温度独立性、低功耗和针对长期信号漂移的稳定性方面具有优势。在US7,609,178提供一个电容式感测器的示例，其揭示一种可重新配置的触觉感测器输入设备，包含第一硬质电极层、第二柔性电极层及一种将第一和第二电极层分开的可压缩绝缘体结构。该绝缘体结构是可压缩几何元件的矩阵。尽管该发明所揭示的压力感测器可用于小规模应用，例如该发明所公开的按键，但机器人皮肤和其他进阶的应用需要大面积、灵活、高度灵敏且可复制的电容感测器阵列，因此本领域仍需要一种廉价且可再现地制造应用于大型阵列的压力感测器。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种用于测量触觉压力的低压力电容式触觉感测器。

本发明的第二个目的在于提供一种用于测量触觉压力的电容式触觉感测系统。

本发明的第三个目的在于提供一种制备该电容式触觉感测器的方法。

在本发明的第一方面，提供一种用以测量0.5kPa至20kPa触觉压力的低压力电容式触觉感测器，其包含一个第一柔性电极层包括位于一个第一柔性基板上的一个或多个第一薄膜电极层；一个第二柔性电极层包括位于一个第二柔性基板上的一个或多个第二薄膜电极层，其中第二电极层与第一电极层平行；一个微图案化、不连续、柔性、在60秒或更短时间内紫外线固化的弹性纳米压印聚合物电介质层位于第一电极层和第二电极层之间，其中第一柔性基板与一个或多个第一柔性电极层被层压到微图案化聚合物电介质层的第一侧，其中微图案化聚合物电介质层被层压在所述第二电极层上，其中所述微图案化、不连续的电介质层的图案比例为1μm至100μm；以及一个屏蔽层分别位于该电容式触觉感测器的第一电极层的上方和第二电极层的下方，以最大程度地减小电磁干扰和电容干扰；其中电容式触觉感测器的压力感测范围为0.5kPa至20kPa、灵敏度大于0.12pF/kPa。

附图说明

以下通过参考附图中示出的示例性实施例来更详尽地描述本发明，其中：

图1描绘了电容式触觉感测器的工作原理；

图2示意性地描绘了根据本发明的一个实施方案的压力感测器；

图3描绘了不同变化的电介质层；

图4描绘了纳米压印工艺的压印过程；

图5描绘了卷对卷纳米压印的工作原理；

图6及图7描绘了电容式压力感测器阵列；

图8描绘了根据本发明的一个实施方案的压力感测器的反应图表。

具体实施方式

在以下叙述中，将本发明的低压力的电容式触觉感测器、一种电容式触觉感测系统及制备该电容式触觉感测器的方法列为首选示例。本发明所属领域的技术人员可以对上述实施方式进行修改，包括在不偏离本发明范围和精神的情况下进行添加或替换。具体细节可以省略，以免使发明难以理解；在不进一步阐述和进行实验的的情况下，本发明所属领域的技术人员基于本文的描述可充分利用本发明。

本发明提供了一种用以测量0.5kPa至20kPa触觉压力的低压力电容式触觉感测器，其包含一个第一柔性电极层包括位于一个第一柔性基板上的一个或多个第一薄膜电极层；一个第二柔性电极层包括位于一个第二柔性基板上的一个或多个第二薄膜电极层，其中第二电极层与第一电极层平行；一个微图案化、不连续、柔性、在60秒或更短时间内紫外线固化的弹性纳米压印聚合物电介质层位于所述第一电极层和所述第二电极层之间，其中所述第一柔性基板与所述一个或多个第一柔性电极层被层压到所述微图案化聚合物电介质层的第一侧，其中所述微图案化聚合物电介质层被层压在所述第二电极层上，其中所述微图案化、不连续的电介质层的图案比例为1μm至100μm；以及一个屏蔽层分别位于该电容式触觉感测器的第一电极层的上方和第二电极层的下方，以最大程度地减小电磁干扰和电容干扰；其中电容式触觉感测器的压力感测范围为0.5kPa至20kPa、灵敏度大于0.12pF/kPa。

本发明还提供了一种用以测量0.5kPa至20kPa触觉压力的电容式触觉感测系统包含多个感测器以列和行的阵列布置。

本发明进一步提供一种制备电容式触觉感测器的方法，包含(1)提供一个紫外线固化的弹性聚合物层，其中紫外线固化的弹性聚合物层的固化时间为60秒或更短时间；(2)纳米压印紫外线固化的弹性聚合物层以形成微图案化比例为1μm至100μm的微图案化、不连续的电介质层；(3)紫外线固化微图案化、不连续的电介质层；(4)提供一个第一柔性电极层及一个第二柔性电极层，其中第一柔性电极层包括位于一个第一柔性基板上的一个或多个第一薄膜电极，第二柔性电极层包括位于一个第二柔性基板上的一个或多个第二薄膜电极；(5)将第一柔性电极层层压在所述微图案化、不连续的电介质层的第一侧以形成一个第一电极-电介质层压板；(6)将第一电极-电介质层压板层压在第二柔性电极层；以及(7)将一个屏蔽层分别邻近于每一个第一柔性电极层和第二柔性电极层。

如图1所示，电容式压力感测器采用平行板电容的原理，两个导电板被电介质所隔开。在图1中所显示的电介质为空气，但其也可为一种固体介电材料。当对其中一个平行板施加压力时，电容会随平行板之间的距离成比例地变化。将固体材料放置在平行板之间时，如许多压力感测器一样，固体材料的弹性可使平行板返回其原始位置，以便它们可以测量之后的压力变化。然而，将固体材料用作电介质层时，固体材料有移动的空间，这意味着需要更大的力才能移动一块平行板，使得压力感测器只能测得压缩固体电介质层所需相对较高的力。

参照图2，其示意性地描绘了根据本发明的一个实施例的电容式压力感测器10。在本发明的压力感测器中，电介质层是不连续的，其降低移动一块平行板所需施予的力。当使用离散结构作为电介质层结构时，每个结构周围都有足够的空间容纳压缩材料，意味着仅需较低的作用力即可导致测量板位移。

电容式压力感测器10是一种柔性的感测器，其包括位于第一柔性基板2上的第一电极层1。举例来说，第一电极层可以是诸如铜的导电金属或导电墨水，该第一电极层被沉积在一个柔性基板上如柔性电路板或聚合材料，该聚合材料诸如聚乙烯(PE)、双轴取向的聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚酮或聚氯乙烯。同样地，第二电极层3可以被沉积在第二柔性基板4上，并且第二柔性基板可以选自相似的导电和聚合材料。

位于第一和第二电极层之间的是一个微图案化、不连续的电介质层，该层由从多种形状中选择的离散结构组成。如图2所示，电介质形状可能是离散的半球形状；但如图3所示，还可以使用其他各种形状，例如，金字塔、圆锥、立方体、圆柱体、棱柱、半球、圆顶或其组合。电介质形状和其他电介质层特征(例如：尺寸、间距、宽高比等)根据所需的整体感测器特性(例如：目标压力范围，灵敏度等)来选择。通过图3所示形状将理解一些形状如金字塔形更易压缩，其可用于低压力应用；而其他形状如棱柱更耐压缩，并具有更大的压力感应范围。同样地，所选形状可以减少感测器恢复其原始、未加载的形状的时间，这将提高感测器准确记录该快速变化之施加压力的能力，而且相较于固态层的电介质，图案化的电介质层还表现出低滞后特性。此外间距的选择也会影响传感器的灵敏度，由于可压缩性增加，具有大间距微图案的电介质层将比小间距微图案的电介质层具有更高的灵敏度和感测更低的压力范围。可以在电介质层中组合几种类型的图案，在扩展感测范围的同时也保持传感器的灵敏度。

如下所述，电介质层是通过纳米压印技术制成的。为了使该制造技术适用于大规模感测器阵列，电介质层使用可在约60秒或更短时间内紫外线固化的弹性聚合物，更具体地说，该弹性聚合物可在30秒或更短时间内紫外线固化。可以使用多种紫外线固化聚合物，该紫外线固化聚合物包含聚醚、酯、烯烃、聚氨酯、具有丙烯酸酯或环氧基为末端基团的硅酮、乙烯基硅油混合物、含氢基团的硅酮聚合物、或其任意组合。

为了提升压力感测器10的精确度，将屏蔽层6设置环绕在感测器中沉积有电极的柔性基板外围。屏蔽层6可以是薄柔性的金属箔，或者可以是在与电极层相对的柔性基板表面上沉积的薄膜，也可以使用其他屏蔽层。屏蔽层6能防止环境干扰，避免影响电容测量。如此一来，这些干扰将被屏蔽层阻挡而不会影响感测器10运作。环境干扰包括人体电容、电磁辐射和其他电子设备发出的噪声。

为了将感测器10整合到大型阵列中或与机器人感应皮肤配合使用，该感测器既薄且柔性，其厚度大约小于0.5mm。该感测器可以安装在弯曲的表面上(例如：可穿戴设备的表面)。

参照图4，呈现出构图压力感测器10的电介质方法的示意图。在图4中提供了一个模具，特别为一个透明模具像是透明硅酮模具20，其具有离散形状的反向图案22，用以模制感测器的电介质层。在图4的示例中，棱柱图案形成且形成的每个棱柱的尺寸与相邻形状之间的空间22的大小相等。硅酮模具20可产生的图案比例在微米尺寸范围内，例如，在1至100微米的范围内。在下面的示例中，其中离散结构约为20至80微米。

将未固化的树脂层30沉积在每个上方已沉积电极层3的基板4上，虽然在图4中使用的数字代表第二基板和第二电极，应该理解的是，电介质沉积也可以选择沉积于第一基板和第一电极上。该未固化的树脂为可快速固化、紫外线固化的聚合物材料。本发明中所指“快速固化”是指图案化的树脂层可以在约60秒或更短的时间内固化。

快速固化的弹性树脂的实例包括可紫外线固化的聚氨酯、硅酮、氟化硅、丁腈橡胶和硅橡胶，特定使用的材料是聚醚-二丙烯酸酯树脂。这些快速固化树脂由于具有丙烯酸酯端基活性，因此可在约30秒或更短时间内紫外线固化。由于交联的长链，这些材料也具有弹性，另外由于EO官能基，这些材料为低粘度材料。式1表示该材料的一个实例，其中R基可以是氢或甲基，其中氢产生可溶于水的材料；而甲基产生疏水性材料。

式1

可以添加光引发剂以增强单体的紫外线敏感性，并有助于交联。本发明中使用的紫外线固化树脂重要的特点是不会脱气，因此固化期间不会有气泡形成，这使得感测器可重复制造。其他只要是可快速固化之有弹性、可紫外线固化的树脂也可用于本发明中。

为了产生大型图案如大型压力感测器阵列，如图5所示，可以使用卷对卷纳米压印技术。这种连续、高通量的过程可一次产生一排压力传感测器，因此基材就不会在大面积上一次承受很大的压力。通过该技术还可产生统一的感测器，因此不需要再对阵列中的各个感测器相互校准。在图5的卷对卷技术中，先从分配器210分配树脂帘幕220并将其沉积在柔性基板230上。柔性基板230可能包括已事先沉积好的柔性电极层；可选地，也可以在形成树脂层220之前先沉积屏蔽层。

主辊模235以所需的结构(在图5中为棱柱形)通过由紫外线灯250固化的压力辊240压印树脂层220，接着脱模辊270接收具有固化图案260的基板230，随后组装一个带有面对电极、基板和屏蔽层的感测器。

使用本发明的压力感测器所得到的感测器阵列的示例在图6和图7中示出。在图6中，在水平方向上形成一系列的列线310，而在垂直方向上形成一系列的行线320，且接地屏蔽线330也设置在行与列线上以阻挡干扰。同一行中的每个压力感测器10的第一电极与共同的行线电连接；同样地，同一列中的每个压力感测器的第二电极连接到共同的列线。每个感测器的电容可通过图7所示的行-列扫描方法独立地测量。连接到阵列的电路根据行与列的位址来扫描感测器，如此一来可以测量大面积上的压力变化。

图8描绘了图2所述感测器的反应图表，感测器的尺寸为1cm x 1cm且1N/cm²等於10kPa。图8的曲线代表该传感器的灵敏度，所计算出的灵敏度约为0.13pF/kPa，这种高水平的灵敏度允许本发明的感测器用于低负载压力检测应用中，像是可应用於测量人体触摸压力水平或尝试复制人体触摸压力水平的触觉压力感测器(触觉应用)，例如：机器人抓握应用。压力感测器也可使用于医疗应用中有关人体压力的测试，因为其具有高度的柔性，可制出合适各身体部位的复杂形状。例如，装有本发明压力感测器的触觉手套可用于设计机器人抓握元件，以复制人类手指操纵目标物时所施加的各种压力。

定义

在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则术语"comprise"或诸如"comprises"或"comprising"之类的变体，将被理解为包含一个规定的整数或一组整数，但不排除包括任何其他整数或整数组。还应注意，在本公开中，特别是在权利要求或段落中，或“comprises”或“comprised”或“comprising”等术语具有美国专利法中赋予它的含义。例如，它们允许未明确叙述的元件，但排除现有技术中发现的或影响本发明的基本或新颖特征的元件。

再者，在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则术语“include”或诸如“includes”或“including”的变体，将被理解为包含一个规定的整数或一组整数，但不排除包括任何其他整数或整数组。

在本文所述的制备方法中，除了明确记载时间或操作顺序之外，这些步骤可以以任何顺序进行而不脱离本发明的原理。在权利要求中首先执行第一步骤，然后执行其他几个步骤，应当理解为在任何其他步骤之前执行第一步骤，但除非在其他步骤中进一步叙述序列，否则可以以任何合适的顺序执行其他步骤。例如，权利要求陈述“步骤A，步骤B，步骤C，步骤D和步骤E”，应解释为首先执行步骤A，最后执行步骤E，步骤B，C和D可以在步骤A和E之间以任何顺序进行，并且该顺序仍然落在要求保护过程的字面范围内。还可以重复操作指定步骤或子步骤。此外，除非明确的权利要求语言叙述它们是分开执行的，否则可以同时执行指定的步骤。

说明书中提到“一个实施例”，“实施例”，“示例实施例”等术语，表示所描述的实施例可以包括特定的特征，结构或特性，但是每个实施例可以不必包括特定的特征，结构或特性。此外，这些术语不一定是指相同的实施例。另外当结合实施例描述特定特征，结构或特性时，应当认为它是一个在本领域技术人员的知识范围内，无论是否明确描述，都可以结合其他实施例来作用这些特征，结构或特性。

本文使用的所选术语的其他定义可以在本发明的详细描述中找到并贯穿全文。除非另外定义，否则这里使用的所有其他技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

本领域技术人员基于本公开的教导，可以在不背离本发明的精神或范围的情况下实施替代的实施例。本发明的范围旨在由以下权利要求所限定，其包含所有实施例及结合以上说明书和附图所进行的各种修改。

Claims (17)

1.一种用以测量0.5kPa至20kPa触觉压力的低压力电容式触觉感测器，所述感测器包含：

一个第一柔性电极层包括位于一个第一柔性基板上的一个或多个第一薄膜电极层；

一个第二柔性电极层包括位于一个第二柔性基板上的一个或多个第二薄膜电极层，其中所述第二柔性电极层与所述第一柔性电极层平行；

一个微图案化、不连续、柔性、在60秒或更短时间内紫外线固化的弹性纳米压印聚合物电介质层位于所述第一柔性电极层和所述第二柔性电极层之间，其中所述第一柔性基板与所述一个或多个第一柔性电极层被层压到所述微图案化聚合物电介质层的第一侧，其中所述微图案化聚合物电介质层被层压在所述第二柔性电极层上，其中所述微图案化、不连续的电介质层的图案比例为1μm至100μm；以及

一个屏蔽层分别位于所述电容式触觉感测器的所述第一柔性电极层的上方和所述第二柔性电极层的下方，以减少电磁干扰和电容干扰,

其中所述电容式触觉感测器的压力感测范围为0.5kPa至20kPa、灵敏度大于

0.12pF/kPa。

2.根据权利要求1所述的低压力电容式触觉感测器，其中所述紫外线固化的弹性聚合物包含聚醚、酯、烯烃、聚氨酯、具有丙烯酸酯或环氧基为末端基团的硅酮、乙烯基硅油混合物、含氢基团的硅酮聚合物、或其任意组合。

3.根据权利要求1所述的低压力电容式触觉感测器，其中所述电介质层的厚度小于0.5mm。

4.根据权利要求1所述的低压力电容式触觉感测器，其中所述微图案化的电介质的结构具有由立方体、圆柱体、圆锥、金字塔、棱柱、半球、圆顶或其任意组合所组成的图案。

5.根据权利要求1所述的低压力电容式触觉感测器，其中所述电容式触觉感测器的压力感测范围和灵敏度根据所述微图案化、不连续的电介质层的尺寸和间距而调整。

6.一种用以测量0.5kPa至20kPa触觉压力的电容式触觉感测系统包含根据权利要求1所述的多个感测器以列和行的阵列布置。

7.根据权利要求6所述的电容式触觉感测系统，其中所述布置在同一行中的每个感测器的第一电极连接到一条共用行线。

8.根据权利要求7所述的电容式触觉感测系统，其中所述布置在同一列中的每个感测器的第二电极连接到一条共用列线。

9.根据权利要求6所述的电容式触觉感测系统，其中所述微图案化的电介质的结构具有由立方体、圆柱体、圆锥、金字塔、棱柱、半球、圆顶或其任意组合所组成的图案。

10.根据权利要求6所述的电容式触觉感测系统，其中所述紫外线固化的弹性聚合物包含聚醚、酯、烯烃、聚氨酯、具有丙烯酸酯或环氧基为末端基团的硅酮、乙烯基硅油混合物、含氢基团的硅酮聚合物、或其任意组合。

11.根据权利要求6所述的电容式触觉感测系统，其中所述电容式触觉感测系统的压力感测范围和灵敏度根据所述微图案化、不连续的电介质层的尺寸和间距而调整。

12.根据权利要求8所述的电容式触觉感测系统，其中进一步包含一个可独立测量每个感测器电容的列-行扫描电路。

13.一种制备权利要求1所述电容式触觉感测器的方法，包含：

提供一个紫外线固化的弹性聚合物层，其中所述紫外线固化的弹性聚合物层的固化时间为60秒或更短时间；

纳米压印所述紫外线固化的弹性聚合物层以形成微图案化比例为1μm至100μm的微图案化、不连续的电介质层；

紫外线固化所述微图案化、不连续的电介质层；

提供一个第一柔性电极层及一个第二柔性电极层，其中所述第一柔性电极层包括位于一个第一柔性基板上的一个或多个第一薄膜电极，所述第二柔性电极层包括位于一个第二柔性基板上的一个或多个第二薄膜电极；

将所述第一柔性电极层层压在所述微图案化、不连续的电介质层的第一侧以形成一个第一电极-电介质层压板；

将所述第一电极-电介质层压板层压在所述第二柔性电极层；以及

将一个屏蔽层分别邻近于每一个所述第一柔性电极层和所述第二柔性电极层。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述电介质层的厚度小于0.5mm。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述纳米压印包括一种卷对卷纳米压印过程，所述过程使用具有与待压印结构相反图案的一个模具，其中所述结构选自一个或多个立方体、圆柱体、圆锥、金字塔、棱柱、半球、或圆顶。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述纳米压印过程在室温下进行。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述紫外线固化的弹性聚合物包含聚醚、酯、烯烃、聚氨酯、具有丙烯酸酯或环氧基为末端基团的硅酮、乙烯基硅油混合物、含氢基团的硅硅酮聚合物，或其任意组合。

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