CN111693188B - 基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器及其制造方法，属于柔性压力传感器技术领域。该压阻式柔性传感器包括使用PDMS柔性薄膜的上、下隔离层，以及位于上、下隔离层之间的Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层，压阻层由具有金字塔微结构的Ag/MWCNTs/PDMS薄膜面对面组装，并且在压阻层的一侧均匀分布8个矩形电极。矩形电极通过导线接入电阻抗层析成像系统，实现信号采集；将采集信号通过图像重构算法，实现所施加压力的可视化测量。本发明可以提高压阻式柔性传感器的灵敏度，降低响应时间，实现施加压力的大小和位置测量，可以用于大面积、可变形检测领域。
Description
技术领域：
本发明涉及基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器及其制造方法，其属于柔性压力传感器技术领域。
背景技术：
随着传感器技术的不断发展，柔性压力传感器可以用于进行生理参数、运动姿势和环境特征等方面的检测，在生物电学、人体健康监测及仿生电子皮肤等方面有着巨大潜力。与传统的金属和半导体材料传感器相比，柔性传感器具有良好的柔韧性、可拉伸性及可连续监测等优势。对于实际应用来讲，柔性压力传感器不仅需要优越的延展性，还需要高灵敏度和快速响应。
基于检测原理和方法的不同，压力传感器主要分为电容式、压电式、应变式、压阻式等。其中压阻式压力传感器基于压阻效应，将压力信号转化为电信号，由于其简单的感应机制、压力分辨率高以及频率响应好而被广泛研究。压阻式传感器一般是通过在柔性基底上覆盖或嵌入导电材料，加装隔离层形成“三明治”结构的传感器，并且通过电极实现信号的采集与测量。常用的柔性基底材料有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)等，导电材料有碳纳米管(CNTs)、石墨烯(GR)、聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PAn)等。
虽然利用上述材料制备的压阻式柔性传感器具备优越的延展性，但是由于灵敏度不高、响应不够迅速，限制了其发展和应用。除此之外，此类传感器目前主要利用阵列式的传感元件来实现压力分布的检测，虽然可以适应具有一定大小的复杂表面，但是难以实现大面积的检测，并且无法实现多点触摸的感知和施加压力的准确定位。
因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器及其制造方法，提高柔性传感器的灵敏度和响应时间，并且基于可视化电阻抗层析成像技术，可以实现大面积的检测，实现压力的准确定位以及多点触摸的检测。
本发明采用如下技术方案：一种基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器，包括PDMS柔性薄膜的上、下隔离层，以及位于上、下隔离层之间的Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层，所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层由具有金字塔微结构的Ag/MWCNTs/PDMS薄膜面对面组装，并且在Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层的一侧均匀分布8个矩形电极，所述矩形电极通过导线接入电阻抗层析成像系统，实现信号采集，将采集信号通过图像重构算法，以实现所施加压力的可视化测量。
本发明还采用如下技术方案：一种基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器的制造方法，包括以下步骤：
(1).制备PDMS柔性薄膜，作为隔离层；
(2).制备具有金字塔微结构的Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜；
(3).将所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜面对面组装，作为Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层；
(4).于所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层表面连接8个均匀分布的矩形电极；
(5).将所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜通过粘合剂覆盖于所述PDMS柔性薄膜；
(6).通过在所述矩形电极上设置导线，连接至电阻抗层析成像系统；
(7).将所述PDMS柔性薄膜通过粘合剂覆盖于所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜。
进一步地，制备PDMS柔性薄膜包括以下步骤：
步骤一：将PDMS前体主液与辅液以10:1的质量比混合，充分搅拌，并且放入真空烘箱进行脱泡处理，得到PDMS溶液；
步骤二：将所述PDMS溶液旋涂在硅晶片上，加热固化，并且剥离得到PDMS柔性薄膜。
进一步地，制备具有金字塔微结构的Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜包括以下步骤：
步骤一：利用光蚀刻技术制作出具有周期性排列的倒金字塔形凹槽结构的硅晶片模具；
步骤二：制备镀银的多壁碳纳米管；
步骤三：制备Ag/MWCNTs悬浮液；
步骤四：制备Ag/MWCNTs/PDMS混合溶剂；
步骤五：将所述Ag/MWCNTs/PDMS混合溶剂旋涂到具有微结构的硅晶片模板上，加热固化，并且剥离得到Ag/MWCNTs/PDMS柔性复合导电薄膜。
进一步地，制备镀银的多壁碳纳米管包括以下步骤：
步骤一：将MWCNTs加入到体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸混合溶液中，进行超声处理，并且70℃热烘，得到酸化的MWCNTs；
步骤二：将步骤一中的MWCNTs加入去离子水，超声处理，得到MWCNTs溶液；
步骤三：将氨水缓慢滴加至硝酸银溶液中，直至澄清，调节PH值为9～11，得到银氨溶液；
步骤四：将步骤三中的银氨溶液加入至步骤二中的MWCNTs溶液中进行超声处理，加入葡萄糖作为还原剂进行施镀；
步骤五：将步骤四中的混合溶液减压过滤，使用去离子水清洗，并且热烘，得到镀银的多壁碳纳米管Ag/MWCNTs。
进一步地，制备Ag/MWCNTs悬浮液包括以下步骤：
步骤一：称取1g～1.5g的所述Ag/MWCNTs加入去离子水，用保鲜膜封住烧杯口；
步骤二：将步骤一中的溶液进行超声处理，得到具有良好分散性能的Ag/MWCNTs悬浮液。
进一步地，制备Ag/MWCNTs/PDMS混合溶剂包括以下步骤：
步骤一：将PDMS前体主液加入至所述Ag/MWCNTs悬浮液中，进行超声处理，使得PDMS分散均匀，形成Ag/MWCNTs质量占比为4％的溶液；
步骤二：将PDMS前体辅液以与PDMS前体主液1:10的质量比例加入至步骤一中的混合溶液中，充分搅拌；
步骤三：将步骤二中的混合溶液放入真空烘箱进行脱泡处理，得到Ag/MWCNTs/PDMS混合溶剂。
进一步地，所施加压力的可视化测量包括以下步骤：
步骤一：Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层上的8个电极通过设置导线与电阻抗层析成像系统的多路复用器向连，通过控制多路复用器，控制通道的选通；
步骤二：在施加压力前，当选通一路激励电流后，分别测量两两相邻电极间的电压信号，建立导电复合材料的电导率和边界测量电压的映射关系，即求解雅克比矩阵；
步骤三：在施加压力后，同步骤二所述采集边界测量电压，使用Landweber迭代算法，通过步骤二中雅克比矩阵解决EIT逆问题，求解内部电导率分布，进行EIT图像重构，实现所施加压力的位置可视化。
本发明具有如下有益效果：(1)本发明所提供的传感器采用了金字塔形的微结构，并且使用具有优异导电性能的银修饰碳纳米管，改善了碳纳米管的性能，提高传感器的灵敏度以及响应时间；(2)本发明的信号采集基于电阻抗层析成像技术，相比于传统的阵列式分布传感器，具有结构简单的特点，降低电磁噪声的干扰，并且可以用于大面积传感检测；(3)本发明所提供的传感器结合电阻抗层析成像技术，通过图像重构，可以可视化施加压力的位置。
附图说明：
图1为本发明基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器及所施加压力位置测量的示意图。
图2为本发明压阻式柔性传感器的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明基于电阻抗层析成像技术，设计一种“三明治结构”的压阻式柔性传感器，具有结构简单、压力位置可视化、灵敏度高，响应时间迅速的特点。
如图1所示，本发明的实现包括三大部分，首先是压阻式柔性传感器的设计，其次是通过电阻抗层析成像硬件系统对信号进行采集，并且对采集的信号进行处理，最后是通过图像重构，可视化施加压力的位置。本发明的柔性触觉传感器，基于压阻效应同时结合信号采集系统，将压力信号转变为电压信号，然后通过图像重构算法解决电阻抗层析成像的逆问题，求解传感器内部的电导率分布，实现压力分布的可视化。下面依次说明各部分的实现。
如图2所示，本发明提供的基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器，包括PDMS柔性薄膜的上、下隔离层，以及位于上、下隔离层之间的Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层。PDMS为聚二甲基硅氧烷的英文缩写，具有优异的透明性、生物相容性、弹性和拉伸性，容易与导电材料像结合的优点。MWCNTs为多壁碳纳米管的英文缩写，具有导电性好、比表面大等特点，使用银Ag修饰MWCNTs，可以增强导电材料与PDMS柔性基底的结合力，增强电子之间的转移，降低接触电阻，有效提高灵敏度。所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层由具有金字塔微结构的Ag/MWCNTs/PDMS薄膜面对面组装，并且在Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层的一侧均匀分布8个矩形电极。所述矩形电极通过导线接入电阻抗层析成像系统，实现信号采集。
本发明基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器的制备过程具体如下：
(1)上、下隔离层PDMS柔性薄膜的制备：将PDMS前体主液与辅液以10:1的质量比混合，充分搅拌，并且放入真空烘箱进行脱泡处理，得到PDMS溶液；将所述PDMS溶液旋涂在硅晶片上，加热固化，并且剥离得到PDMS柔性薄膜。
(2)Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜的制备：利用光蚀刻技术制作出具有周期性排列的倒金字塔形凹槽结构的硅晶片模具；制备镀银的多壁碳纳米管Ag/MWCNTs；称取一定量的所述Ag/MWCNTs加入去离子水，用保鲜膜封住烧杯口，进行超声处理，得到具有良好分散性能的Ag/MWCNTs悬浮液；将固定质量比例的PDMS前体主液加入至所述Ag/MWCNTs溶液中，进行超声处理，使得PDMS分散均匀，将PDMS前体辅液以与PDMS前体主液1:10的质量比例加入至混合溶液，充分搅拌，将所述混合溶液放入真空烘箱进行脱泡处理，得到Ag/MWCNTs/PDMS混合溶剂；将所述Ag/MWCNTs/PDMS混合溶剂旋涂到具有微结构的硅晶片模板上，加热固化，并且剥离得到Ag/MWCNTs/PDMS柔性复合导电薄膜。
其中，所述镀银的多壁碳纳米管Ag/MWCNTs制备过程为：将MWCNTs加入到体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸混合溶液中，进行超声处理，并且70℃热烘，得到酸化的MWCNTs；将所述MWCNTs加入去离子水，超声处理，得到MWCNTs溶液；将氨水缓慢滴加至硝酸银溶液中，直至澄清，调节PH值为9～11，得到银氨溶液；将所述银氨溶液加入至所述MWCNTs溶液中进行超声处理，加入葡萄糖作为还原剂进行施镀；将所述混合溶液减压过滤，使用去离子水清洗，并且热烘，得到镀银的多壁碳纳米管Ag/MWCNTs。
(3)压阻式柔性传感器的组装：将所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜面对面组装，作为压阻层；于所述压阻层表面连接8个均匀分布的矩形电极；将所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜通过粘合剂覆盖于PDMS柔性薄膜；通过在所述矩形电极上设置导线，连接至电阻抗层析成像系统。
如图2所示，在压阻层上均匀分布有8个矩形电极，结合图1的系统框图，电极通过设置导线与电阻抗层析成像系统的多路复用器向连。通过控制多路复用器，控制通道的选通。在施加压力前后，当选通一路激励电流后，分别测量两两相邻电极间的电压信号，共需要测量8*(8-3)＝40组数据；对采集的电压信号进行处理后，选择合适的图像重构算法，通过图像重构算法解决电阻抗层析成像的逆问题，求解传感器内部的电导率分布，对施加的压力位置进行可视化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器的制造方法，所述基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器包括PDMS柔性薄膜的上、下隔离层，以及位于上、下隔离层之间的Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层，所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层由具有金字塔微结构的Ag/MWCNTs/PDMS薄膜面对面组装，并且在Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层的一侧均匀分布8个矩形电极，所述矩形电极通过导线接入电阻抗层析成像系统，实现信号采集，将采集信号通过图像重构算法，以实现所施加压力的可视化测量，其特征在于：包括以下步骤：
（1）.制备PDMS柔性薄膜，作为隔离层；
（2）.制备具有金字塔微结构的Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜；
（3）.将所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜面对面组装，作为Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层；
（4）.于所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层表面连接8个均匀分布的矩形电极；
（5）.将所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜通过粘合剂覆盖于所述PDMS柔性薄膜；
（6）.通过在所述矩形电极上设置导线，连接至电阻抗层析成像系统；
（7）.将所述PDMS柔性薄膜通过粘合剂覆盖于所述Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜。
2.如权利要求1所述的基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器的制造方法，其特征在于：制备PDMS柔性薄膜包括以下步骤：
步骤一：将PDMS前体主液与辅液以10:1的质量比混合，充分搅拌，并且放入真空烘箱进行脱泡处理，得到PDMS溶液；
步骤二：将所述PDMS溶液旋涂在硅晶片上，加热固化，并且剥离得到PDMS柔性薄膜。
3.如权利要求2所述的基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器的制造方法，其特征在于：制备具有金字塔微结构的Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合薄膜包括以下步骤：
步骤一：利用光蚀刻技术制作出具有周期性排列的倒金字塔形凹槽结构的硅晶片模具；
步骤二：制备镀银的多壁碳纳米管；
步骤三：制备Ag/MWCNTs悬浮液；
步骤四：制备Ag/MWCNTs/PDMS混合溶剂；
步骤五：将所述Ag/MWCNTs/PDMS混合溶剂旋涂到具有微结构的硅晶片模板上，加热固化，并且剥离得到Ag/MWCNTs/PDMS柔性复合导电薄膜。
4.如权利要求3所述的基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器的制造方法，其特征在于：制备镀银的多壁碳纳米管包括以下步骤：
步骤一：将MWCNTs加入到体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸混合溶液中，进行超声处理，并且70℃热烘，得到酸化的MWCNTs；
步骤二：将步骤一中的MWCNTs加入去离子水，超声处理，得到MWCNTs溶液；
步骤三：将氨水缓慢滴加至硝酸银溶液中，直至澄清，调节PH值为9~11，得到银氨溶液；
步骤四：将步骤三中的银氨溶液加入至步骤二中的MWCNTs溶液中进行超声处理，加入葡萄糖作为还原剂进行施镀；
步骤五：将步骤四中的混合溶液减压过滤，使用去离子水清洗，并且热烘，得到镀银的多壁碳纳米管Ag/MWCNTs。
5.如权利要求3所述的基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器的制造方法，其特征在于：制备Ag/MWCNTs悬浮液包括以下步骤：
步骤一：称取1g~1.5g的权利要求4中的Ag/MWCNTs加入去离子水，用保鲜膜封住烧杯口；
步骤二：将步骤一中的溶液进行超声处理，得到具有良好分散性能的Ag/MWCNTs悬浮液。
6.如权利要求5所述的基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器的制造方法，其特征在于：制备Ag/MWCNTs/PDMS混合溶剂包括以下步骤：
步骤一：将PDMS前体主液加入至权利要求5中的Ag/MWCNTs悬浮液中，进行超声处理，使得PDMS分散均匀，形成Ag/MWCNTs质量占比为4%的溶液；
步骤二：将PDMS前体辅液以与PDMS前体主液1:10的质量比例加入至步骤一中的混合溶液中，充分搅拌；
步骤三：将步骤二中的混合溶液放入真空烘箱进行脱泡处理，得到Ag/MWCNTs/PDMS混合溶剂。
7.如权利要求6所述的基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器的制造方法，其特征在于：所施加压力的可视化测量包括以下步骤：
步骤一：Ag/MWCNTs/PDMS柔性导电复合材料压阻层上的8个电极通过设置导线与电阻抗层析成像系统的多路复用器相连，通过控制多路复用器，控制通道的选通；
步骤二：在施加压力前，当选通一路激励电流后，分别测量两两相邻电极间的电压信号，建立导电复合材料的电导率和边界测量电压的映射关系，即求解雅克比矩阵；
步骤三：在施加压力后，同步骤二采集边界测量电压，使用Landweber迭代算法，通过步骤二中雅克比矩阵解决EIT逆问题，求解内部电导率分布，进行EIT图像重构，实现所施加压力的位置可视化。
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| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |