CN111780901B - 能同时检测力的大小和方向的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能同时检测力的大小和方向的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器。该传感器整体结构类似于“三明治结构”，其顶电极为柔性可拉伸圆形电极，底电极为作为拉伸敏感模块的采用渗透‑翻模工艺制备的仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极，中间为作为压力敏感模块的三维管状石墨烯海绵。本发明的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器可以有效地实现力的大小和方向的同时高灵敏度检测。

Description

能同时检测力的大小和方向的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器
技术领域
本发明属于柔性电子及可穿戴器件领域、新材料技术及微电子系统领域，具体为一种能同时检测力的大小和方向的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器。
背景技术
随着信息社会的发展与物联网技术的不断进步，人们对周边环境信息的采集深度与广度不断提升。传统的传感器由于其自身刚性的阻碍，可能导致信号传导质量差等问题。相比之下，柔性传感器因其可与任意移动部件或曲面兼容的特性，可以更有效地捕获目标分析物并生成更高质量的信号。柔性传感器在机器人、生物医疗、可穿戴设备、可植入的健康检测设备以及人机交互等领域有着广泛的应用前景。
触觉感知是柔性电子应用中灵巧操作物体所必需的。特别是，实时测量和辨别力的方向、接触面和接触位置的能力对于具有触觉反馈的机器人来说是至关重要的。然而，这一功能的实现需要多个刺激被传感元件转换成耦合或分离的信号。到目前为止，由于材料的多功能性和设备独特的几何形状的关键要求，只有有限的例子应变压力传感器已经被证明。
将可拉伸电极和压阻弹性体集成到一个像素中，是实现应变/压力双参数传感功能的有效方法。可伸缩电子器件的发展已成为非刚性电子领域的最新研究趋势之一，并有望进一步将电子器件的应用扩展到可附加的人体贴片和柔性机器人上。同时，作为下一代电子器件关键元件之一的高弹性导电材料已成为实现高灵敏度压阻传感器的最有效策略。在此之前，已经有一些关于使用有机弹性体作为框架的报道，在框架上吸附导电材料。但该方法有一个非常重要的缺点，即导电材料吸附不均匀，容易脱落。
自然界常常为工程领域的发展提供灵感，特别是具有各种仿生结构的人造电子器件。蜘蛛网是蜘蛛捕食的重要方式。当猎物附着在蛛网上时，蜘蛛可以通过感知蛛网的振动来快速识别猎物的方向。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于制备一种仿蜘蛛网状柔性触觉传感器，该传感器能够有效地同时监测力的大小和方向。
本发明的技术方案具体介绍如下。
一种能同时检测力的大小和方向的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器，其整体呈三明治形状，从上到下依次为顶电极、压力敏感模块和底电极；顶电极为信号输入端，压力敏感模块为三维管状石墨烯海绵，底电极为拉伸敏感模块；其中，顶电极和底电极均为采用渗透-翻模工艺制备的基于银纳米线Ag NWs/碳纳米管（CNTs）复合纳米材料的可拉伸电极，顶电极为圆形电极，底电极为仿蜘蛛网状电极。
本发明中，渗透-翻模工艺制备的基于Ag NWs/CNTs复合纳米材料的可拉伸电极的制备方法如下：
（1）将包含Ag NWs和CNTs的杂化复合导电墨水喷涂到模板上，该模板固定于硅片上；
（2）待导电墨水干燥，去除模板，得到导电层；
（3）将标准聚二甲基硅氧烷PDMS旋涂到导电层上，在高真空中处理，使得PDMS渗透
到导电层中；
（4）固化PDMS，翻模得到柔性仿蜘蛛网状可拉伸电极，该电极中，AgNWs/CNTs杂化复合纳米材料在PDMS中形成高效的渗透网络；其中：
当步骤（1）中的模板为圆形模板时，步骤（4）制得顶电极；当步骤（1）中的模板为蜘蛛网状模板时，步骤（4）制得底电极。
本发明中，杂化复合导电墨水中，分散剂为无水乙醇，Ag NWs和CNTs的质量比为3:1。
本发明中， CNTs平均直径和长度分别为＜8nm和10~30µm，Ag NWs的平均直径和长度分别为40~60 nm和10~30μm。
本发明中，圆形电极的直径为5mm。
本发明中，三维管状石墨烯海绵是通过CVD方法合成的，其密度在24.0~26.0mg/cm3之间。
本发明中，三维管状石墨烯海绵的制备方法如下：先以甲烷为原料，氢气为载气，氩气为稀释气，在1050-1150℃的温度下，通过CVD法在介孔二氧化硅模板上生长石墨烯，然后冷却至室温，将石墨烯产物浸入氢氟酸水溶液中去除模板，最后干燥并在2220-2260℃下退火，得到三维管状石墨烯海绵。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
采用仿蜘蛛网状可拉伸电极作为拉伸敏感模块进行力的方向检测。目前研究的可拉伸电极多采用预拉伸-蒸镀导电层、直接溅射“蛇形”导电层、“岛-桥”结构等方法制备，其原理为通过在柔性衬底上制备弯曲结构来获得拉伸性能。上述方法均存在一个明显的弊端，即导电层与柔性衬底结合力较差，导电层容易脱落。本发明中可拉伸电极采用渗透-翻模工艺制得，避免了导电层容易脱落的难题。方法简单，可拉伸电极导电性好、可拉伸性强，且在一定拉伸范围内（20%）不会产生导电层断裂，是柔性拉伸敏感材料的理想选择。
将采用CVD法制备的三维管状石墨烯海绵作为压力敏感模块用于力的大小的检测，因为CVD法制备的三维管状石墨烯海绵具有高弹性、高固有强度、高导电性，能承受屈曲，在像扭结的水管一样明显的坍塌之后，一旦载荷被移除，它就会恢复到原来的形状，并且屈曲结构没有损坏，即C-C键没有断裂或C-C网络的保持稳定；
本发明的柔性触觉传感器可以有效地将力的刺激幅度和方向同时转换为可分辨的电信号，同时对力的方向和大小进行高灵敏度、高精度检测。
附图说明
图1为仿蜘蛛网状柔性触觉传感器制备过程及装配结果。
图2为仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极的制备过程实物图。
图3为仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极的拉伸性能测试；（a）原始状态；（b）拉伸10%；（c）拉伸20%。
图4为仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极分别在垂直方向和水平方向拉伸状态下的电阻变化结果。
图5为仿蜘蛛网状柔性可拉伸顶电极、底电极实物图及电子显微镜图像。其中：（a）为顶电极实物图，其原始电阻约为0.8Ω；（b）为底电极实物图，其原始电阻平均值为42.4Ω；图（c）为可拉伸电极表面电子显微镜图像；图（d）为可拉伸电极横截面电子显微镜图像。
图6为仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极的能谱图。结果显示，Ag NWs/CNTs杂化复合纳米材料在PDMS中形成高效的渗透网络。
图7为三维管状管状石墨烯海绵压缩/回复图。由于三维管状石墨烯海绵孔隙度高，具有良好的可压缩性和恢复性。这也表明其作为可压缩导体有巨大的应用潜力应用于人工智能和柔性电子领域。
图8为三维管状石墨烯海绵实物图及其扫描电子显微镜图像；（a）表示为1cm3三维管状石墨烯支撑在小花上；（b）、（c）分别为三维管状石墨烯海绵整体和单个中空石墨烯管的扫描电子显微镜图像。
图9为三维管状石墨烯海绵透射电子显微镜图像。
图10（a）为表明仿蜘蛛网状可拉伸电极8个电极电阻值，（b）为不同压力条件下三维管状石墨烯海绵和不同拉伸状态下可拉伸电极的电阻变化。
图11为仿蜘蛛网状柔性触觉传感器传感性能图；（a）为器件实物图，（b）为压力梯度在5-20 kPa时相应的电流响应，（c）为8个输出端的电流响应，（d）为在不同方向上施加的力的响应结果。
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。
本发明采用圆形可拉伸顶电极作为信号输入端， 采用仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极作为拉伸敏感模块；采用三维管状石墨烯海绵作为压力敏感模块。
圆形可拉伸顶电极及仿蜘蛛网状柔性可拉伸地电极是基于杂化纳米复合导电材料制成。以仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极的制备过程为例，如图1（a）所示，具体制备过程为：将杂化的纳米复合导电墨水（Ag NWs：CNTs=3：1，分散液为无水乙醇）喷涂到蜘蛛网状的模板上，CNTs平均直径和长度分别为＜8nm和10~30µm，Ag NWs的平均直径和长度分别为40~60nm和10~30μm；该模板放置在玻璃板上。导电材料的喷涂量为0.3 mL cm-2。喷涂器与基材之间的距离为150mm。导电墨水干燥后，除去模板。然后，将制备的标准PDMS（PDMS与交联剂重量比为10：1）旋涂在导电层上。将电极置于高真空中2小时。目的是将PDMS渗透到蜘蛛网状电极中。最后，在80℃下固化30分钟，将带有蜘蛛网状电极的PDMS膜剥离。
图2为仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极的制备过程实物图。图5（c）为仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极的表面电子显微镜图像，从图中可以看出，导电网络是以直径更大的Ag NWs为主干网络进行电子传输，小而有弹性的CNTs网络为电极提供了局部通路，实现电子传输地进一步导通。杂化Ag NWs/CNTs复合导电材料渗滤网络可制成具有高拉伸性能和高导电性的电极，因为该混合电极同时具有高拉伸性能的CNTs和高导电性的Ag NWs的优点。只有单组分材料几乎不可能做到这一点；图5（d）为可拉伸电极横截面电子显微镜图像，图像显示导电层的厚度约为1.6μm。图6为仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极的能谱图。结果显示，Ag NWs/CNTs杂化复合纳米材料在PDMS中形成高效的渗透网络。
对仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极的拉伸性能进行测试，结果见图3，结果表明，该电极具有优异的拉伸性能。
图4为仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极分别在垂直方向和水平方向拉伸状态下的电阻变化结果。结果显示，可拉伸电极对垂直方向的拉伸响应远低于水平方向拉伸。这一结果为实现力的大小/方向双功能监测奠定基础，即力的大小与方向响应互不干扰。
如图10（a）所示，对仿蜘蛛网状可拉伸电极8个电极电阻值进行测试，结果表明电阻基本相等，这证明了该电极具有良好的导电性和稳定性。
三维管状石墨烯海绵由CVD法生长得到，三维管状石墨烯海绵制备过程具体为：将蒸馏水，HCl（作为催化剂），P123（Pluronic嵌段共聚物，作为表面活性剂）和原硅酸四乙酯（TEOS）（作为二氧化硅源）混合以形成均匀的溶胶溶液， TEOS：P123：HCl：H2O的摩尔比为1：0.016：5：180。将透明溶胶立即在特氟龙管线式高压釜中于120℃加热24 h，并将产物在600℃下煅烧4 h获得介孔二氧化硅整料。管状石墨烯在1100℃下通过CVD在甲烷，氢气和氩气气流中生长到二氧化硅整体模板上。冷却至室温后，将产物浸入氢氟酸水溶液中以除去模板，然后干燥并在2250℃下退火1小时。
图8为三维管状石墨烯海绵实物图及其扫描电子显微镜图像。图9为三维管状石墨烯海绵透射电子显微镜图像。结果表明，根据上述制备方法制得的三维管状石墨烯海绵密度超低，约为25.8mg cm-3。其中图8（a）证明1cm3三维管状石墨烯海绵能够支撑在小花上，使其不发生明显的变形。图8（b）、图8（c）为三维管状石墨烯海绵整体和单个中空石墨烯管的扫描电子显微镜图像，结果表明纳米级管状石墨烯随机缠绕在高孔隙率的网络结构中。图9说明了管状网络由多层石墨烯构成，其衍射图形类似石墨，层间距离约为0.342 nm。
图7为上述制备得到的三维管状石墨烯海绵的压缩/回复图。结果表明，由于三维管状石墨烯海绵孔隙度高，具有良好的可压缩性和恢复性，进而作为可压缩导体有巨大的应用潜力应用于人工智能和柔性电子领域。
图10（b）比较了不同压力条件下三维管状石墨烯海绵和不同拉伸状态下可拉伸电极的电阻变化，结果表明该仿蜘蛛网状可拉伸电极与三维管状石墨烯海绵的电阻匹配，本发明传感器能实现力的大小和方向的同时传感检测。
实施例中，进一步以仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极作为拉伸敏感模块，以三维管状石墨烯海绵作为压力敏感模块，以圆形可拉伸顶电极作为信号输入端进行装配，得到仿蜘蛛网状柔性触觉传感器；如图1（b）所示，仿蜘蛛网状柔性触觉传感器整体呈三明治结构，从上到下由顶电极、三维管状石墨烯海绵和仿蜘蛛网状柔性可拉伸底电极组成。图11（a）为器件实物图，结果表明器件具有良好的柔性。
图5为仿蜘蛛网状柔性可拉伸顶电极、底电极实物图及电子显微镜图像。
可拉伸顶电极对压力响应敏感度极低，所以在外力作用于该传感器时，外力可简化为水平拉力和垂直压力的共同作用。
本发明中采用计算机伺服控制的垂直压力试验机（HD-B609B-S）进行单轴压缩和释放实现仿蜘蛛网状柔性触觉传感器的传感性能测试。用Keithley 2450源表测量了传感器在不同压力下的电流。在测试过程中，输入电压被设置为0.1V。

Claims (7)

1.一种仿蜘蛛网状柔性触觉传感器在同时检测力的大小和方向方面的应用，其特征在于，仿蜘蛛网状柔性触觉传感器整体呈三明治形状，从上到下依次为顶电极、压力敏感模块和底电极；顶电极为信号输入端，压力敏感模块为三维管状石墨烯海绵，底电极为拉伸敏感模块；其中，顶电极和底电极均为采用渗透-翻模工艺制备的基于Ag NWs/CNTs复合纳米材料的可拉伸电极，顶电极为圆形电极，底电极为仿蜘蛛网状电极。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，渗透-翻模工艺制备的基于Ag NWs/CNTs复合纳米材料的可拉伸电极的制备方法如下： （1）将包含Ag NWs和CNTs的杂化复合导电墨水喷涂到模板上，该模板固定于硅片上； （2）待导电墨水干燥，去除模板，得到导电层； （3）将标准PDMS旋涂到导电层上，在真空中处理，使得PDMS渗透到导电层中； （4）固化PDMS，翻模得到可拉伸电极，该电极中，AgNWs/CNTs杂化复合纳米材料在PDMS中形成高效的渗透网络；其中： 当步骤（1）中的模板为圆形模板时，步骤（4）制得顶电极；当步骤（1）中的模板为蜘蛛网状模板时，步骤（4）制得底电极。
3.如权利要求2所述的应用，其特征在于，杂化复合导电墨水中，分散剂为无水乙醇，AgNWs和CNTs的质量比为3:1。
4.如权利要求2或3所述的应用，其特征在于， CNTs平均直径和长度分别为＜8nm和10~30µm，Ag NWs的平均直径和长度分别为40~60 nm和10~30μm。
5.如权利要求1所述的应用，其特征在于，圆形电极的直径为5mm。
6.如权利要求1所述的应用，其特征在于，三维管状石墨烯海绵是通过CVD方法合成的，其密度在24.0~26.0mg/cm3之间。
7.如权利要求1或6所述的应用，其特征在于，三维管状石墨烯海绵的制备方法如下：先以甲烷为原料，氢气为载气，氩气为稀释气，在1050-1150℃的温度下，通过CVD法在介孔二氧化硅模板上生长石墨烯，然后冷却至室温，将石墨烯产物浸入氢氟酸水溶液中去除模板，最后干燥并在2220-2260℃下退火，得到三维管状石墨烯海绵。
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