CN111505065A - 一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供了一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器及其制备方法，传感器包括柔性基底、叉指型对电极、电解质层，所述叉指型对电极铺设于柔性基底表面，所述电解质层贴附于叉指型对电极之上，所述电解质层由包括第一溶剂、酯类、高分子材料和离子载体的混合物经过发泡制得，四者的质量比为(25‑30):(3‑4):(4‑6):(1‑2)。本发明创造所述的传感器具备柔性特点且可拉伸，拉伸率可以高达300％，因此可以在更大的变形条件下监测所受压力情况，从而拓展了该传感器的适用范围。

Description

一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感 器及其制备方法
技术领域
本发明创造属于柔性传感器技术领域，尤其是涉及一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器及其制备方法。
背景技术
电子皮肤具有与人类皮肤相似的功能，包括可拉伸性、自我修复性和多功能感知能力，在个性化医疗、人工智能设备、软机器人系统等领域有着广阔的应用前景。在众多的电子皮肤软传感器中，触觉传感器是一种非常重要的传感器，它可以将机械刺激转化为可读信号。触觉传感器主要有三种工作模式，包括电阻，电容和压电模式。其中，电容式触觉传感器与其它两种相比较，具有低迟滞、高稳定性和高线性度等优点，在眨眼监测、脉冲检测、人体运动监测等实际应用中有着广泛的应用前景。
电容式触觉传感器结构简单，由介电材料隔开两个电极。金属和半导体均可以用作电容传感器的电极。然而，基于传统静电容的触觉传感，由于静电电容量小造成传感信号微弱，易被环境噪声淹没而难于提取和表达，且还存在力检测范围窄的缺点。另外，传统金属或半导体薄膜电极的力学性能差，也限制了传统电容式触觉传感器的柔性应用范围。人们普遍采用几何工程方法将刚性材料加工成弯曲、褶皱和kirigami(循环折纸图案)形状。例如，现有技术中有将金膜成形成褶皱形状，用于开发电容式应变传感器，可拉伸性高达140％。然而，仅在几何工程上解决拉伸性能会受到材料本身的限制，不能完全满足电子皮肤拉伸要求。综上，在触觉传感原理、基本材料工程和器件几何设计上都需提出新的方案以全面提升电容式触觉传感器的灵敏度、量程和柔性等性能。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器。其中，基于多孔高比表面积电极中电子与电解液中离子的吸附获得大于传统静电电容百倍的电容量，实现力传感信号的高灵敏度和宽检测量程的检测；基于柔性可拉伸基底和泡沫电解质的使用，实现整体器件的高度柔性化和大的可拉伸化。另外，同一平面内叉指型对电极的结构设计能够有效地降低器件内阻，以提升力传感信号的快速响应能力。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，包括柔性基底、叉指型对电极、电解质层，所述叉指型对电极铺设于柔性基底表面，所述电解质层贴附于叉指型对电极之上，所示电解质层由包括第一溶剂、酯类、高分子材料和离子载体的混合物经过发泡制得，四者的质量比为(25-30): (3-4):(4-6):(1-2)。
优选地，所述叉指型对电极通过丝网印刷工艺将导电油墨印刷于柔性基底上表面制得，所述导电油墨由第二溶剂、粘结剂、导电材料和四硼酸钠组成，四者的质量比为(5-6):(1-2):(1-2):(0.2-0.3)。
优选地，所述柔性基底的材质包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨基甲酸酯或聚乙烯醇。
优选地，所述电解质层中的第一溶剂为水或离子液体，其中，离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐，由有机阳离子和无机或有机阴离子组成，阳离子包括但不限于季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子，阴离子包括但不限于卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子；
优选地，所述酯类包括但不限于碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸乙二酯中一种或两种以上的混合物；
优选地，所述高分子材料优选为聚乙烯醇或聚苯乙烯；
优选地，所述离子载体为酸、碱、盐中一种或两种以上的混合物，更优选为硫酸、磷酸、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸钠、碳酸氢钠中一种或两种以上的混合物。
优选地，所述导电油墨中的第二溶剂为水，所述粘结剂为聚乙烯醇或聚苯乙烯。
优选地，导电材料为金属、碳或导电聚合物，包括但不限于铜、铝、金、银、镍、石墨、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、MXene、聚吡咯、聚噻吩中的一种或两种以上的复合物。
优选地，所述柔性基底的厚度为10-1000μm。
优选地，所述叉指型对电极两端通过焊接导电金属线实现传感器与外界电路相连。
优选地，所述电解质层的表面覆盖高分子膜作为封装层。所述封装层优选为PU膜。封装层要求尽可能的轻薄且柔软，封装层选用包括但不限于PU 膜等材料。
优选地，所述叉指型对电极两端通过焊接导电金属线实现传感器与外界电路相连，所述叉指型对电极为两个薄层电极在同一平面内相对排布，其图案包括但不限于双矩形、叉指型、环形嵌套型。
本发明还提供一种由上述传感器组成的传感器阵列，所述传感器阵列由 m行、n列的多个传感器横纵排列形成m×n个传感器阵列，m、n均为正整数，所述多个传感器共用同一柔性基底，所述多个传感器共用同一电解质层或分别独立使用能够覆盖各自叉指型对电极区域的电解质层。每个传感器拥有属于自己的一对叉指型电极，能够感知出二维受力分布情况。
本发明还提供一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)叉指型对电极的制备
将第二溶剂、粘结剂和导电材料混合均匀后，在80-100℃条件下加热 1-2小时，待粘结剂完全溶解形成含有导电材料的粘结剂溶液，然后将四硼酸钠溶于去离子水中形成四硼酸钠溶液，再将四硼酸钠溶液逐滴加入粘结剂溶液中，边加边搅拌，待形成凝胶后停止，再将该凝胶在90-100℃的温度下溶解0.5-2小时，去除气泡，得到导电油墨，采用丝网印刷的工艺将导电油墨按照设计的图案印刷到柔性基底上，然后自然晾至半干即得到叉指型对电极；
(2)电解质层的制备，
将第一溶剂和高分子材料混合后，在80-100℃条件下加热1-2小时，待高分子材料完全溶解后加入酯类、离子载体搅拌均匀后加入发泡剂搅拌均匀后倒入模具中，放置于烘箱55-65℃下加热8-10小时得到电解质层；
(3)传感器的接线
将所有叉指型对电极在相应位置引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用焊锡与电极接线端固定在一起，然后进行使用；
(4)传感器的封装
将粘结剂刷到相同尺寸的电解质层与柔性基底上的每个叉指型对电极边缘后使柔性基底与电解质层完全贴合，完成安装。
本发明传感器的基本工作原理：
柔性基底、叉指型对电极与电解质层三部分组成一个基于超级电容的叉指电极式柔性触觉传感器单元，当有压力施加于传感器上时，传感器的网孔状电解质层会在压力的作用下发生变形，从而导致电解质层与叉指型对电极的接触面积变大，引起电容的增加；当压力消失时，网孔状电解质层又会恢复原状，电容也会恢复原值。电容的变化可以转变为电信号传输给后续处理电路，从而监测到力的大小。
叉指型对电极与网孔状电解质层形成电极或电解质界面，当叉指电极与网孔状电解质层的两面接触时，在外界电源的作用下，电极的内部表面电荷会从电解质中吸附离子，这些离子在叉指电极或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，由于叉指电极或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，因此形成结构稳定的超级电容。
将由溶剂、粘结剂(高分子量的粘结剂)和导电材料组成的导电油墨印刷在可拉伸的柔性基底上，制备了叉指型对电极层。将离子载体与高分子材料混合，然后发泡，烘干后制备网孔状电解质层，然后叉指型对电极与电解质层组装。将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。本发明中丝网印刷使用手动印刷或机器印刷，简单快捷。
相对于现有技术，本发明创造所述的基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器具有以下优势：
(1)本发明创造所述的传感器拉伸率高。传感器的基底、电解质层均的拉伸率均可大于300％，可以监测更大变形的运动，从而提高了该传感器的适用范围。
(2)本发明创造所述的传感器灵敏度高，测量范围大。该触觉传感器的电解质层含有大量均一网状结构，为离子提供大量的通道，提高了灵敏度，该传感器的弹性好、按压范围大，可以根据适用环境适当调整传感器的面积与叉指电极数量，从而提高了测量范围。
附图说明
图1为本发明传感器一个单元的整体结构示意图；
图2a-2c为本发明传感器一个单元的结构示意图(2a为叉指型；2b为环形嵌套型；2c为双矩形)；
图3和图4为本发明传感器的原理示意图；
图5为本发明传感器的3×3矩阵示意图；
图6a-6c为本发明传感器的压容关系；
图中：1、电解质层；2、叉指型对电极；3、柔性基底；4、电极间隙； 5、导电引线。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明创造。
实施例1
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，用于测量身体压力的大小，如图1-4所示，该传感器由上至下依次包括网孔状电解质层1、叉指型对电极2、柔性基底3，每个叉指型对电极与其下面的柔性基底、上面的电解质组成一个传感器单元，如图5所示，该传感器横向有3个、纵向有3个传感器单元，厚度为0.5mm；面积大小可以根据需要进行调整，附图中的叉指型对电极单元最大直径为15mm，两个叉指型对电极之间的间隙为5mm，长度20mm；本实施例所做的整体传感器厚 1mm，柔性基底的厚度是0.5mm。
本实施例基于超级双电层电容式柔性触觉传感器的制备方法是：
1.柔性可拉伸基底的选择，直接选用PVA膜作为柔性可拉伸基底，为保持良好的柔韧性能，厚度为500μm。
2.导电油墨的制作，按照H2O:PVA:CNT为5:1:1的比例称量，并将三者进行混合后加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将四硼酸钠溶于的去离子水中，然后将与占溶液总质量0.43％的3.8wt％四硼酸钠溶液逐滴加入PVA溶液中，边加边搅拌，待形成凝胶状后停止，再将该凝胶在90℃水浴锅中溶解1小时，以去除气泡，得到导电油墨；
3.叉指型对电极的制作，设计叉指电极，然后订做叉指电极图案的网版，采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到基底上，然后自然晾至半干；
4.电解质层的制备，按照H2O:PVA为5:1的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.56％的碳酸钙，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.4％的OP-10，溶液总质量7.7％的碳酸二甲酯(DMC)搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量6.4％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放置于烘箱60℃下加热10小时得到带有孔状与电解质的电解质层；
5.将各叉指型对电极的所有电极在相应位置引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用焊锡与电极接线端固定在一起，然后进行使用；
6.传感器的安装，将PVA溶液印刷到相同尺寸的电解质层与柔性基底上的每个叉指电极边缘，然后使基底与电解质层完全贴合，完成安装。
叉指型对电极横向有3个、纵向有3个传感器，这3×3个传感器单元共用同一个基底和电解质；每个电容单元原理如图3和图4所示，在压力作用下，网孔状电解质层和叉指型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，当负载消失时，电解质层恢复原状，传感器电容值也恢复原值。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。
实施例2
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，用于测量身体压力的大小，该传感器由上至下依次包括网孔状电解质层1、叉指型对电极2、柔性基底3，每个叉指型对电极与其下面的柔性基底、上面的电解质组成一个传感器单元，该传感器横向有3个、纵向有3 个传感器单元，厚度为0.5mm；面积大小可以根据需要进行调整，附图中的叉指电极单元最大直径为15mm，两个叉指型对电极之间的间隙为5mm，长度20mm；本实施例所做的整体传感器厚1mm，柔性基底的厚度是0.5mm。
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.柔性可拉伸基底的选择，直接选用PVA膜作为柔性可拉伸基底，为保持良好的柔韧性能，厚度为500μm。
2.导电油墨的制作，按照H2O:PVA:GO为5:1:1的比例称量，并将三者进行混合后加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将四硼酸钠溶于的去离子水中，然后将与占溶液总质量0.43％的3.8wt％四硼酸钠溶液逐滴加入PVA溶液中，边加边搅拌，待形成凝胶状后停止，再将该凝胶在90℃水浴锅中溶解1小时，以去除气泡，得到导电油墨；
3.叉指型对电极的制作，设计叉指电极，然后订做叉指型对电极图案的网版，采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到基底上，然后自然晾至半干；
4.电解质层的制备，按照H2O:PVA为5:1的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.56％的碳酸钙，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.4％的OP-10，溶液总质量7.7％的碳酸二甲酯(DMC)搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量6.4％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放置于烘箱60℃下加热10小时得到带有孔状与电解质的电解质层；
5.将各叉指型对电极的所有电极在相应位置引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用焊锡与电极接线端固定在一起，然后进行使用；
6.传感器的安装，将PVA溶液印刷到相同尺寸的电解质层与基底上的每个叉指电极边缘，然后使基底与电解质层完全贴合，完成安装。
实施例3
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，用于测量身体压力的大小，该传感器由上至下依次包括网孔状电解质层1、叉指型对电极2、柔性基底3，每个叉指型对电极与其下面的基底、上面的电解质组成一个传感器单元，该传感器横向有3个、纵向有3个传感器单元，厚度为0.5mm；面积大小可以根据需要进行调整，附图中的叉指型对电极单元最大直径为15mm，两个叉指型对电极之间的间隙为5mm，长度20mm；本实施例所做的整体传感器厚1mm，基底的厚度是0.5mm。
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.柔性可拉伸基底的选择，直接选用PVA膜作为柔弹性可拉伸基底，为保持良好的柔韧性能，厚度为500μm。
2.导电油墨的制作，按照H2O:PVA:MXene为5:1:1的比例称量，并将三者进行混合后加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将四硼酸钠溶于的去离子水中，然后将与占溶液总质量0.43％的3.8wt％四硼酸钠溶液逐滴加入PVA溶液中，边加边搅拌，待形成凝胶状后停止，再将该凝胶在90℃水浴锅中溶解1小时，以去除气泡，得到导电油墨；
3.叉指型对电极的制作，设计叉指型对电极，然后订做叉指型对电极图案的网版，采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到基底上，然后自然晾至半干；
4.电解质层的制备，按照H2O:PVA为5:1的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.56％的碳酸钙，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.4％的OP-10，溶液总质量7.7％的碳酸二甲酯(DMC)搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量6.4％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放置于烘箱60℃下加热10小时得到带有孔状与电解质的电解质层；
5.将各叉指电极的所有电极在相应位置引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用焊锡与电极接线端固定在一起，然后进行使用；
6.传感器的安装，将PVA溶液印刷到相同尺寸的电解质层与基底上的每个叉指电极边缘，然后使基底与电解质层完全贴合，完成安装。
实施例4
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，用于测量身体压力的大小，如图1-4所示，该传感器由上至下依次包括网孔状电解质层1、叉指型对电极2、柔性基底3，每个叉指型对电极与其下面的柔性基底、上面的电解质组成一个传感器单元，如图5所示，该传感器横向有3个、纵向有3个传感器单元，厚度为0.5mm；面积大小可以根据需要进行调整，附图中的叉指型对电极单元最大直径为15mm，两个叉指型对电极之间的间隙为5mm，长度20mm；本实施例所做的整体传感器厚 1mm，柔性基底的厚度是0.5mm。
本实施例基于超级双电层电容式柔性触觉传感器的制备方法是：
1.柔性可拉伸基底的选择，直接选用PVA膜作为柔性可拉伸基底，为保持良好的柔韧性能，厚度为500μm。
2.导电油墨的制作，按照H2O:PVA:CNT为5:1:1的比例称量，并将三者进行混合后加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将四硼酸钠溶于的去离子水中，然后将与占溶液总质量0.43％的3.8wt％四硼酸钠溶液逐滴加入PVA溶液中，边加边搅拌，待形成凝胶状后停止，再将该凝胶在90℃水浴锅中溶解1小时，以去除气泡，得到导电油墨；
3.叉指型对电极的制作，设计叉指电极，然后订做叉指电极图案的网版，采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到基底上，然后自然晾至半干；
4.电解质层的制备，按照H2O:PVA为5:1的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.56％的氢氧化钾，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.4％的OP-10，溶液总质量7.7％的碳酸二甲酯(DMC)搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量6.4％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放置于烘箱60℃下加热10小时得到带有孔状与电解质的电解质层；
5.将各叉指型对电极的所有电极在相应位置引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用焊锡与电极接线端固定在一起，然后进行使用；
6.传感器的安装，将PVA溶液印刷到相同尺寸的电解质层与柔性基底上的每个叉指电极边缘，然后使基底与电解质层完全贴合，完成安装。
实施例5
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，用于测量身体压力的大小，如图1-4所示，该传感器由上至下依次包括网孔状电解质层1、叉指型对电极2、柔性基底3，每个叉指型对电极与其下面的柔性基底、上面的电解质组成一个传感器单元，如图5所示，该传感器横向有3个、纵向有3个传感器单元，厚度为0.5mm；面积大小可以根据需要进行调整，附图中的叉指型对电极单元最大直径为15mm，两个叉指型对电极之间的间隙为5mm，长度20mm；本实施例所做的整体传感器厚 1mm，柔性基底的厚度是0.5mm。
本实施例基于超级双电层电容式柔性触觉传感器的制备方法是：
1.柔性可拉伸基底的选择，直接选用PVA膜作为柔性可拉伸基底，为保持良好的柔韧性能，厚度为500μm。
2.导电油墨的制作，按照H2O:PVA:CNT为5:1:1的比例称量，并将三者进行混合后加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将四硼酸钠溶于的去离子水中，然后将与占溶液总质量0.43％的3.8wt％四硼酸钠溶液逐滴加入PVA溶液中，边加边搅拌，待形成凝胶状后停止，再将该凝胶在90℃水浴锅中溶解1小时，以去除气泡，得到导电油墨；
3.叉指型对电极的制作，设计叉指电极，然后订做叉指电极图案的网版，采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到基底上，然后自然晾至半干；
4.电解质层的制备，按照H2O:PVA为5:1的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.56％的35wt％硫酸，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.4％的OP-10，溶液总质量7.7％的碳酸二甲酯(DMC)搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量 6.4％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放置于烘箱60℃下加热10小时得到带有孔状与电解质的电解质层；
5.将各叉指型对电极的所有电极在相应位置引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用焊锡与电极接线端固定在一起，然后进行使用；
6.传感器的安装，将PVA溶液印刷到相同尺寸的电解质层与柔性基底上的每个叉指电极边缘，然后使基底与电解质层完全贴合，完成安装。
实施例6
本实施例提供了一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，用于测量身体压力的大小，如图1-4所示，该传感器由上至下依次包括网孔状电解质层1、叉指型对电极2、柔性基底3，每个叉指型对电极与其下面的柔性基底、上面的电解质组成一个传感器单元，如图5所示，该传感器横向有3个、纵向有3个传感器单元，厚度为0.5mm；面积大小可以根据需要进行调整，附图中的叉指型对电极单元最大直径为15mm，两个叉指型对电极之间的间隙为5mm，长度20mm；本实施例所做的整体传感器厚1mm，柔性基底的厚度是0.5mm。
本实施例基于超级双电层电容式柔性触觉传感器的制备方法是：
1.柔性可拉伸基底的选择，直接选用PVA膜作为柔性可拉伸基底，为保持良好的柔韧性能，厚度为500μm。
2.导电油墨的制作，按照H2O:PVA:CNT为5:1:1的比例称量，并将三者进行混合后加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将四硼酸钠溶于的去离子水中，然后将与占溶液总质量0.43％的3.8wt％四硼酸钠溶液逐滴加入PVA溶液中，边加边搅拌，待形成凝胶状后停止，再将该凝胶在90℃水浴锅中溶解1小时，以去除气泡，得到导电油墨；
3.叉指型对电极的制作，设计叉指电极，然后订做叉指电极图案的网版，采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到基底上，然后自然晾至半干；
4.电解质层的制备，按照H2O:PVA为5:1的比例称量，并将两者进行混合并加入烧杯后，放入磁力搅拌子，然后使用锡纸盖住烧杯口，放入磁力水浴锅，在80-100℃条件下加热1-2小时，待PVA完全溶解，然后将水浴锅降温至66℃，加入占溶液总质量2.56％的碳酸钙，待搅拌均匀后，再将水浴锅降温至60℃，加入占溶液总质量6.4％的OP-10，溶液总质量7.7％的碳酸乙烯酯搅拌2分钟，再将水浴降温至35℃，加入占溶液总质量6.4％的正戊烷剧烈搅拌，倒入模具中，放置于烘箱60℃下加热10小时得到带有孔状与电解质的电解质层；
5.将各叉指型对电极的所有电极在相应位置引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用焊锡与电极接线端固定在一起，然后进行使用；
6.传感器的安装，将PVA溶液印刷到相同尺寸的电解质层与柔性基底上的每个叉指电极边缘，然后使基底与电解质层完全贴合，完成安装。
为了验证该触觉传感器的静态特性，首先将实施例1、2、3的传感器的导线与LCR表相连接，然后利用砝码和LCR表对传感器电容和压力之间的关系进行测量，分别得到如图6a-6c的电容曲线，并计算得到精度分别为： 119.41nF KPa-1、133.77nF KPa-1、142.34nFKPa-1。从图6a-6c与结果可见，在电极材料中导电物质不同下得到的传感器在不同压强下得到的电容值可以稳定、精确的反映出外界压强，但灵敏度存在差异，主要是受导电物质与高分子溶剂的结合程度的影响。实施例4、5主要在实施例1的基础上将离子载体进行了替换，实施例6在实施例1的基础上将酯类进行了替换，最后做成的器件均可达到预期效果。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，其特征在于：包括柔性基底、叉指型对电极、电解质层，所述叉指型对电极铺设于柔性基底表面，所述电解质层贴附于叉指型对电极之上，所述电解质层由包括第一溶剂、酯类、高分子材料和离子载体的混合物经过发泡制得，四者的质量比为(25-30):(3-4):(4-6):(1-2)。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，其特征在于：所述叉指型对电极通过丝网印刷工艺将导电油墨印刷于柔性基底上表面制得，所述导电油墨由第二溶剂、粘结剂、导电材料和四硼酸钠组成，四者的质量比为(5-6):(1-2):(1-2):(0.2-0.3)。
3.根据权利要求1所述的基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，其特征在于：所述柔性基底的材质包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨基甲酸酯或聚乙烯醇。
4.根据权利要求1所述的基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，其特征在于：所述电解质层中的第一溶剂为水或离子液体，其中，离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐，由有机阳离子和无机或有机阴离子组成，阳离子包括但不限于季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子，阴离子包括但不限于卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子；优选地，所述酯类包括但不限于碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸乙二酯中一种或两种以上的混合物；优选地，所述高分子材料为聚乙烯醇或聚苯乙烯；优选地，所述离子载体为酸、碱、盐中一种或两种以上的混合物，更优选为硫酸、磷酸、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸钠、碳酸氢钠中一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，其特征在于：所述导电油墨中的第二溶剂为水，所述粘结剂为聚乙烯醇或聚苯乙烯，所述导电材料为金属、碳或导电聚合物，包括但不限于铜、铝、金、银、镍、石墨、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、MXene、聚吡咯、聚噻吩中的一种或两种以上的复合物。
6.根据权利要求1所述的基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，其特征在于：所述柔性基底的厚度为10-1000μm。
7.根据权利要求1所述的基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，其特征在于：所述叉指型对电极两端通过焊接导电金属线实现传感器与外界电路相连，所述叉指型对电极为两个薄层电极在同一平面内相对排布，其图案包括但不限于双矩形、叉指型、环形嵌套型。
8.根据权利要求1所述的基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，其特征在于：所述电解质层的表面覆盖高分子膜作为封装层，所述封装层优选为PU膜。
9.权利要求1-8任一所述的传感器组成的传感器阵列，其特征在于：所述传感器阵列由m行、n列的多个传感器横纵排列形成m×n个传感器阵列，m、n均为正整数，所述多个传感器共用同一柔性基底，所述多个传感器共用同一电解质层或分别独立使用能够覆盖各自叉指型对电极区域的电解质层。
10.权利要求1-8任一所述的基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)叉指型对电极的制备
将第二溶剂、粘结剂和导电材料混合均匀后，在80-100℃条件下加热1-2小时，待粘结剂完全溶解形成含有导电材料的粘结剂溶液，然后将四硼酸钠溶于去离子水中形成四硼酸钠溶液，再将四硼酸钠溶液逐滴加入粘结剂溶液中，边加边搅拌，待形成凝胶后停止，再将该凝胶在90-100℃的温度下溶解0.5-2小时，去除气泡，得到导电油墨，采用丝网印刷的工艺将导电油墨按照设计的图案印刷到柔性基底上，然后自然晾至半干即得到叉指型对电极；
(2)电解质层的制备，
将第一溶剂和高分子材料混合后，在80-100℃条件下加热1-2小时，待高分子材料完全溶解后加入酯类、离子载体搅拌均匀后加入发泡剂搅拌均匀后倒入模具中，放置于烘箱55-65℃下加热8-10小时得到电解质层；
(3)传感器的接线
将所有叉指型对电极在相应位置引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用焊锡与电极接线端固定在一起，然后进行使用；
(4)传感器的封装
将粘结剂刷到相同尺寸的电解质层与柔性基底上的每个叉指型对电极边缘后使柔性基底与电解质层完全贴合，完成安装。
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