CN111883556A - 柔性触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种柔性触觉传感器及其制备方法，柔性触觉传感器包括第一柔性基板、第二柔性基板以及在第一柔性基板、第二柔性基板之间呈阵列分布的多个柔性传感单元，柔性传感单元包括栅极、微结构栅介电层及源漏极结构，栅极设置在第一柔性基板上，源漏极结构设置在第二柔性基板上并与栅极一一对应，微结构栅介电层设置在第一柔性基板与第二柔性基板之间并与栅极一一对应。柔性触觉传感器的制备方法，包括将第一柔性基板的栅极阵列、第二柔性基板的源漏极结构阵列组装在整面状的微结构栅介电层的两侧，组装过程中，对整面状的微结构栅介电层进行阵列化。本申请的柔性触觉传感器及其制备方法，可以提高传感器的空间分辨率和灵敏度。

Description

柔性触觉传感器及其制备方法

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，具体涉及一种柔性触觉传感器及其制备方法。

背景技术

随着工业自动化的快速发展，以智能机器人为代表的智能产业发展愈加迅速，涉及的领域从大型化工业自动化生产线到人类生活的各个方面。触觉传感器是机器人感知外界信息的重要途径，是机器人智能化发展的重要基础，理想的触觉传感器不仅可以获取机器人手与物体的接触位置以及接触力的分布函数，而且可以得到视觉无法获取的物体信息，如震动特性、热传递特性、机械特性等。然而，目前的触觉传感器的集成程度较低，并且在集成后容易出现引线复杂、传感单元相互干扰的问题，难以准确、灵敏地检测到较小间隙下的触觉信息，不利于机器人智能化的进一步发展。

发明内容

针对上述技术问题，本申请提供一种柔性触觉传感器及其制备方法，可以提高传感器的空间分辨率和灵敏度。

为解决上述技术问题，本申请提供一种柔性触觉传感器，包括第一柔性基板、第二柔性基板以及在所述第一柔性基板、所述第二柔性基板之间呈阵列分布的多个柔性传感单元，所述柔性传感单元包括栅极、微结构栅介电层及源漏极结构，所述栅极设置在所述第一柔性基板的朝向所述第二柔性基板的一侧表面上，所述源漏极结构设置在所述第二柔性基板的朝向所述第一柔性基板的一侧表面上并与所述栅极一一对应，所述微结构栅介电层设置在所述第一柔性基板与所述第二柔性基板之间并与所述栅极一一对应。

其中，所述源漏极结构包括源极、漏极及位于所述源极、所述漏极之间的沟道，所述第一柔性基板的朝向所述第二柔性基板的一侧表面设有栅线，所述第二柔性基板的朝向所述第一柔性基板的一侧表面设有第一电极走线与第二电极走线，同一行栅极连接同一条栅线，同一列源极连接同一条第一电极走线，同一列漏极连接同一条第二电极走线。

其中，所述沟道为有机半导体沟道，所述栅极、所述源极、所述漏极为金属电极。

其中，所述栅极的宽度大于所述源极的内侧与所述漏极的内侧之间的距离，所述栅极的宽度小于或等于所述源极的外侧与所述漏极的外侧之间的距离。

其中，所述第一柔性基板的背向所述第二柔性基板的一侧设有呈阵列分布的微结构凸起，所述微结构凸起的位置与所述栅极一一对应。

其中，所述微结构栅介电层为上下表面设有微结构阵列的柔性介电层，所述微结构阵列包括金字塔阵列、四棱柱阵列、条纹结构阵列中的至少一种。

本申请还提供一种柔性触觉传感器的制备方法，包括：

a.提供第一柔性基板，所述第一柔性基板的一侧表面设有栅极阵列；提供第二柔性基板，所述第二柔性基板的一侧表面设有源漏极结构阵列；提供整面状的微结构栅介电层；

b.将所述第一柔性基板的栅极阵列、所述第二柔性基板的源漏极结构阵列组装在所述整面状的微结构栅介电层的两侧，组装过程中，对所述整面状的微结构栅介电层进行阵列化；

c.得到具有呈阵列分布的多个柔性传感单元的柔性触觉传感器。

其中，步骤a中，提供第一柔性基板，所述第一柔性基板的一侧表面设有栅极阵列，包括：

提供第一柔性基板；

在所述第一柔性基板的一侧表面形成第一金属层；

对所述第一金属层进行图案化，形成栅极阵列与栅线，同一行栅极连接同一条栅线。

其中，所述对所述第一金属层进行图案化之后，还包括：

提供具有微结构凹陷的模具；

在所述模具中倒入前驱体材料混合物，且所述前驱体材料混合物的深度高于所述微结构凹陷的深度；

将所述第一柔性基板的背向所述栅极阵列的一侧压在所述前驱体材料混合物的表面，并使所述栅极与所述微结构凹陷一一对应；

对所述前驱体材料混合物进行固化；

脱模，得到具有微结构凸起的第一柔性基板。

其中，步骤a中，提供第二柔性基板，所述第二柔性基板的一侧表面设有源漏极结构阵列，包括：

提供第二柔性基板；

在所述第二柔性基板的一侧表面形成第二金属层；

对所述第二金属层进行图案化，形成源级阵列、漏极阵列、第一电极走线与第二电极走线，其中，同一列源极连接同一条第一电极走线，同一列漏极连接同一条第二电极走线；

在所述第二金属层上形成有机半导体层；

对所述有机半导体层进行图案化，形成位于所述源极与所述漏极之间的沟道。

其中，步骤a中，提供整面状的微结构栅介电层，包括：

提供一柔性介电薄膜；

采用激光在所述柔性介电薄膜的上下表面刻蚀微结构阵列，所述微结构阵列包括金字塔阵列、四棱柱阵列、条纹结构阵列中的至少一种；

得到整面状的微结构栅介电层。

其中，所述激光的单脉冲能量范围为20～300μJ，所述激光的扫描速度范围为100～3000mm/s。

其中，步骤b，包括：

将所述第一柔性基板的栅极阵列组装在所述整面状的微结构栅介电层的一侧；

采用激光刻蚀所述整面状的微结构栅介电层，得到微结构栅介电层阵列；

将所述第二柔性基板的源漏极结构阵列组装在所述微结构栅介电层阵列的另一侧。

本申请还提供一种柔性触觉传感器，采用如上所述的柔性触觉传感器的制备方法制备得到。

本申请的柔性触觉传感器及其制备方法，柔性触觉传感器包括第一柔性基板、第二柔性基板以及在第一柔性基板、第二柔性基板之间呈阵列分布的多个柔性传感单元，柔性传感单元包括栅极、微结构栅介电层及源漏极结构，栅极设置在第一柔性基板上，源漏极结构设置在第二柔性基板上并与栅极一一对应，微结构栅介电层设置在第一柔性基板与第二柔性基板之间并与栅极一一对应。柔性触觉传感器的制备方法，包括将第一柔性基板的栅极阵列、第二柔性基板的源漏极结构阵列组装在整面状的微结构栅介电层的两侧，组装过程中，对整面状的微结构栅介电层进行阵列化。本申请的柔性触觉传感器及其制备方法，可以提高传感器的空间分辨率和灵敏度。

附图说明

图1是根据第一实施例示出的柔性触觉传感器的剖视示意图；

图2是根据第一实施例示出的柔性触觉传感器的透视示意图；

图3是根据第一实施例示出的第二柔性基板的结构示意图；

图4是根据第二实施例示出的柔性触觉传感器的透视示意图；

图5是根据第二实施例示出的第二柔性基板的结构示意图；

图6是根据第三实施例示出的柔性触觉传感器的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。

在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。

虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

第一实施例

图1是根据第一实施例示出的柔性触觉传感器的剖视示意图。图2是根据第一实施例示出的柔性触觉传感器的透视示意图。请参考图1与图2，本实施例的柔性触觉传感器包括第一柔性基板11、第二柔性基板12以及在第一柔性基板11、第二柔性基板12之间呈阵列分布的多个柔性传感单元13，图2中示出柔性触觉传感器具有4×4的柔性传感单元阵列。柔性传感单元13包括栅极131、微结构栅介电层133及源漏极结构132，栅极131设置在第一柔性基板11的朝向第二柔性基板12的一侧表面上，源漏极结构132设置在第二柔性基板12的朝向第一柔性基板11的一侧表面上并与栅极131一一对应，微结构栅介电层133设置在第一柔性基板11与第二柔性基板12之间并与栅极131一一对应。

第一柔性基板11包括但不限于聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT)，第一柔性基板11的朝向第二柔性基板12的一侧表面设有栅线112，其中，同一行柔性传感单元13的栅极131连接同一条栅线112。在本实施例中，栅极131为金属电极，栅线112为金属走线，栅极131为栅线112的一部分，栅极131和栅线112的材料包括但不限于Au、Ag以及Al等金属导电材料。

在本实施例中，第一柔性基板11的背向第二柔性基板12的一侧设有呈阵列分布的微结构凸起111，微结构凸起111的位置与栅极131一一对应，微结构凸起111包括但不限于金字塔结构，微结构凸起111的边长与栅极131的宽度相同，使微结构凸起111的投影均在栅极131范围内，微结构凸起111的高度范围为1～1000μm。在第一柔性基板11的表面设置微结构凸起111后，可以对物体的表面形态进行识别，同时，在机器人手持握物体时，可以识别出物体与机器人手之间的相对滑动，提高触觉信息的准确性。

第二柔性基板12包括但不限于聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT)，第二柔性基板12的朝向第一柔性基板11的一侧表面设有第一电极走线121与第二电极走线122。请一并参考图1与图3，每个柔性传感单元13中的源漏极结构132包括源极1321、漏极1323及位于源极1321、漏极1323之间的沟道1322，同一列柔性传感单元13的源极1321连接同一条第一电极走线121，同一列柔性传感单元13的漏极1323连接同一条第二电极走线122。在本实施例中，第一电极走线121与栅线112的投影垂直交叉，第二电极走线122与栅线112的投影垂直交叉，第一电极走线121沿第二柔性基板12的第一方向延伸，第二电极走线122沿第二柔性基板12的第二方向延伸，第一方向与第二方向相反，也即是说，第一电极走线121与第二电极走线122相互平行并向相反方向延伸，实际实现时，第一电极走线121与第二电极走线122的形状及延伸方向的设计，只需可以将对应位置的柔性传感单元13的感应信号进行相应的传输即可，可不具体进行限定。在本实施例中，沟道1322为有机半导体沟道，包括但不限于聚-3已基噻吩(P3HT)、1，2，4-三氯苯(TCB)或者聚噻吩-吡咯并吡咯二酮(PDPP3T)等有机半导体材料，源极1321、漏极1323为金属电极，第一电极走线121与第二电极走线122为金属走线，源极1321、漏极1323、第一电极走线121与第二电极走线122的材料包括但不限于Au、Ag以及Al等金属导电材料。

请结合图1至图3，在本实施例中，源极1321和漏极1323的长度和宽度范围为1～1000μm，沟道1322的长度(相邻的第一电极走线121与第二电极走线122的内侧之间的距离)和宽度(每个柔性传感单元13中的源极1321、漏极1323之间相邻部分的缝隙宽度)范围为1～1000μm。栅极131的宽度大于源极1321的内侧与漏极1323的内侧之间的距离，栅极131的宽度小于或等于源极1321的外侧与漏极1323的外侧之间的距离，其中，源极1321的外侧与漏极1323的外侧定义为源极1321和漏极1323中最靠近源漏极结构132边缘的侧边，源极1321的内侧与漏极1323的内侧定义为源极1321和漏极1323中平行且最靠近外侧的侧边。在本实施例中，每个柔性传感单元13中的源极1321和漏极1323为相互平行的单一直线电极，源极1321的外侧与漏极1323的外侧也即靠近源漏极结构132边缘的侧边，源极1321的内侧与漏极1323的内侧也即远离源漏极结构132边缘的侧边。以上对栅极131的宽度的尺寸限定，使得栅极131在第二柔性基板12上的投影可以覆盖源极1321的至少一部分以及漏极1323的至少一部分，从而可以在源极1321、漏极1323与栅极131之间形成电场。

请继续参考图1，微结构栅介电层133为上下表面设有微结构阵列1331的柔性介电层，微结构阵列1331包括金字塔阵列、四棱柱阵列、条纹结构阵列中的至少一种。微结构栅介电层133包括但不限于选取PDMS、PU或者TPE等薄膜，微结构栅介电层133上的微结构的底边长范围10～1000μm，高度范围1～1000μm，优选金字塔结构，可以更精准检测1mm范围内的触觉信息。

微结构栅介电层133可采用激光刻蚀技术在一柔性介电薄膜的上下表面制备微结构阵列1331而得到。超快激光具有明显的非线性吸收效应，刻蚀微结构边缘热影响区域小，质量好，优选超快激光刻蚀柔性介电薄膜。另外，随着激光波长的增加，光热作用越明显，为了减小热效应，激光波长优选355nm。激光单脉冲能量范围为20～300μJ，当单脉冲能量小于20μJ时，刻蚀时间长，效率低；当单脉冲能量大于300μJ时，热影响增加，影响刻蚀质量。激光扫描速度范围为100～3000mm/s，当扫描速度小于100mm/s时，在累积热作用同样会影响刻蚀质量；当扫描速度大于3000mm/s时，激光光斑搭接率较低，刻蚀边缘质量同样较差。

本实施例的柔性触觉传感器在工作时，通过扫描的方式依次向各栅线112提供电压信号，同时通过第一电极走线121向源极1321提供恒定的电压信号，通过第二电极走线122向漏极1323提供恒定的电压信号，随着外部压力的变化，第一柔性基板11上的微结构凸起111以及柔性传感单元13中的微结构栅介电层133发生形变，使栅极131与源极1321、漏极1323之间的电场发生变化，沟道1322中的电荷分布发生变化，进而沟道1322的电流发生变化，在栅线112周期性扫描的过程中，可以获取到不同位置的柔性传感单元13通过对应的第一电极走线121或第二电极走线122传出的电流信号，进而得到不同位置的压力，得到压力分布情况和变化情况。通过设置柔性传感单元13的尺寸及相邻两个柔性传感单元13之间的距离，可以得到20～1000μm的分辨率(分辨率用相邻两个柔性传感单元13的中心之间的距离表示)，从而准确、灵敏地检测到1mm以下间隙的触觉信息。

本申请的柔性触觉传感器，包括第一柔性基板、第二柔性基板以及在第一柔性基板、第二柔性基板之间呈阵列分布的多个柔性传感单元，柔性传感单元包括栅极、微结构栅介电层及源漏极结构，栅极设置在第一柔性基板上，源漏极结构设置在第二柔性基板上并与栅极一一对应，微结构栅介电层设置在第一柔性基板与第二柔性基板之间并与栅极一一对应。通过将有机薄膜晶体管阵列和电容式传感器阵列组成柔性传感单元，本申请的柔性触觉传感器具有更高空间分辨率，同时，柔性传感单元采用微结构栅介电层，检测灵敏度更高。实际应用中，本申请的柔性触觉传感器能够精准检测1mm间隙下的触觉信息，同时不仅能够检测压力还可以用于识别物体表面的微结构，在未来的人机交互、机器人、健康医疗等领域具有广阔的应用前景。

第二实施例

图4是根据第二实施例示出的柔性触觉传感器的透视示意图。图5是根据第二实施例示出的第二柔性基板的结构示意图。请结合图4与图5，本实施例的柔性触觉传感器包括第一柔性基板31、第二柔性基板32以及在第一柔性基板31、第二柔性基板32之间呈阵列分布的多个柔性传感单元33，图4中示出柔性触觉传感器具有4×4的柔性传感单元阵列。柔性传感单元33包括栅极、微结构栅介电层及源漏极结构，栅极设置在第一柔性基板31的朝向第二柔性基板32的一侧表面上，源漏极结构设置在第二柔性基板32的朝向第一柔性基板31的一侧表面上并与栅极一一对应，微结构栅介电层设置在第一柔性基板31与第二柔性基板32之间并与栅极一一对应。

同一行柔性传感单元33的栅极连接同一条栅线312。在本实施例中，栅极为栅线312的一部分。第二柔性基板32的朝向第一柔性基板31的一侧表面设有第一电极走线321与第二电极走线322。每个柔性传感单元33中的源漏极结构包括源极3321、漏极3323及位于源极3321、漏极3323之间的沟道，同一列柔性传感单元33的源极3321连接同一条第一电极走线321，同一列柔性传感单元33的漏极3323连接同一条第二电极走线322。在本实施例中，第一电极走线321与栅线312的投影垂直交叉，第二电极走线322与栅线312的投影垂直交叉，第一电极走线321沿第二柔性基板32的第一方向延伸，第二电极走线322沿第二柔性基板32的第二方向延伸，第一方向与第二方向相反，也即是说，第一电极走线321与第二电极走线322相互平行并向相反方向延伸，实际实现时，第一电极走线321与第二电极走线322的形状及延伸方向的设计，只需可以将对应位置的柔性传感单元33的感应信号进行相应的传输即可，可不具体进行限定。

本实施例与第一实施例的主要区别在于源极3321与漏极3323的形状，在本实施例中，每个柔性传感单元33中的源极3321与漏极3323均为梳齿状且相互错开配合，从而构成叉指电极，相邻叉指之间缝隙的宽度也即沟道的宽度，相邻叉指之间缝隙的长度也即沟道的长度。

栅极的宽度大于源极3321的内侧与漏极3323的内侧之间的距离，栅极的宽度小于或等于源极3321的外侧与漏极3323的外侧之间的距离。其中，定义源极3321中每个叉指的侧边均为源极3321的侧边，定义漏极3323中每个叉指的侧边均为漏极3323的侧边，源极3321的外侧与漏极3323的外侧定义为源极3321和漏极3323中最靠近源漏极结构边缘的侧边，源极3321的内侧与漏极3323的内侧定义为源极3321和漏极3323中平行且最靠近外侧的侧边。由于源极3321与漏极3323均为梳齿状且相互错开配合，源极3321的外侧与漏极3323的外侧也即最靠近源漏极结构边缘的叉指的外侧边，源极3321的内侧与漏极3323的内侧也即最靠近源漏极结构边缘的叉指的与所述外侧边平行的内侧边。以上对栅极的宽度的尺寸限定，使得栅极在第二柔性基板32上的投影可以覆盖源极3321的最靠近源漏极结构边缘的叉指的至少一部分以及漏极3323的最靠近源漏极结构边缘的叉指的至少一部分，同时覆盖源极3321和漏极3323的其它叉指，从而可以在源极3321、漏极3323与栅极之间形成电场。

本实施例的其它结构及其相关描述详见第一实施例，在此不再赘述。

第三实施例

图6是根据第三实施例示出的柔性触觉传感器的制备方法的流程示意图。如图6所示，本实施例的柔性触觉传感器的制备方法，包括：

步骤210，提供第一柔性基板，第一柔性基板的一侧表面设有栅极阵列；提供第二柔性基板，第二柔性基板的一侧表面设有源漏极结构阵列；提供整面状的微结构栅介电层。

其中，提供第一柔性基板，第一柔性基板的一侧表面设有栅极阵列的过程，可包括：提供第一柔性基板；在第一柔性基板的一侧表面形成第一金属层；对第一金属层进行图案化，形成栅极阵列与栅线，同一行栅极连接同一条栅线。

选取聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT)等柔性材料作为第一柔性基板，第一金属层可采用磁控溅射工艺形成在第一柔性基板上，之后，采用传统的掩模、刻蚀工艺将第一金属层图案化，除去不需要的部分，形成栅极阵列与栅线，栅极的宽度大于源极的内侧与漏极的内侧之间的距离，栅极的宽度小于或等于源极的外侧与漏极的外侧之间的距离，并且使同一行栅极连接同一条栅线。其中，源极的外侧与漏极的外侧定义为源极和漏极中最靠近栅极边缘的侧边，源极的内侧与漏极的内侧定义为源极和漏极中最靠近外侧的侧边。在本实施例中，栅极为栅线的一部分，栅极的宽度也即栅线的宽度，因而只需刻蚀出相互平行的栅线即可，第一金属层材料可以为Au、Ag以及Al等金属导电材料。实际实现时，也可采用丝网印刷或者3D打印的方式在第一柔性基板上形成栅极与栅线。

在本实施例中，对第一金属层进行图案化之后，还包括：提供具有微结构凹陷的模具；在模具中倒入前驱体材料混合物，且前驱体材料混合物的深度高于微结构凹陷的深度；将第一柔性基板的背向栅极阵列的一侧压在前驱体材料混合物的表面，并使栅极与微结构凹陷一一对应；对前驱体材料混合物进行固化；脱模，得到具有微结构凸起的第一柔性基板。

当第一柔性基板上的微结构凸起选用金字塔阵列时，选用具有金字塔凹陷结构阵列的硅模具，金字塔凹陷结构的边长与栅极的宽度相同，高度范围为1～1000μm，将PDMS单体与固化剂按10：1混合均匀得到前驱体材料混合物，将前驱体材料混合物倒入硅模具之中，使前驱体材料混合物的深度高于金字塔凹陷结构的深度，从而可以在模具表面形成一层PDMS膜，之后，将第一柔性基板压到PDMS膜的表面，使金字塔结构的投影面积均在栅极(栅线)上，未制备栅极的一面与PDMS膜接触，放在50℃-120℃烘台上固化，固化完成后将PDMS从硅模具表面剥离，即可得到具有金字塔微结构凸起的第一柔性基板。

其中，提供第二柔性基板，第二柔性基板的一侧表面设有源漏极结构阵列的过程，可包括：提供第二柔性基板；在第二柔性基板的一侧表面形成第二金属层；对第二金属层进行图案化，形成源级阵列、漏极阵列、第一电极走线与第二电极走线，其中，同一列源极连接同一条第一电极走线，同一列漏极连接同一条第二电极走线；在第二金属层上形成有机半导体层；对有机半导体层进行图案化，形成位于源极与漏极之间的沟道。

选取聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT)等柔性材料作为第二柔性基板，第二金属层可采用磁控溅射工艺形成在第二柔性基板上，之后，采用传统的掩模、刻蚀工艺将第二金属层图案化，除去不需要的部分，形成源级阵列、漏极阵列、第一电极走线与第二电极走线，并且，源极和漏极的长度和宽度范围为1～1000μm，源极和漏极可以为单一直线电极并相互平行，或源极和漏极可以均为梳齿状电极并相互错开配合而构成叉指电极，同一列源极连接同一条第一电极走线，同一列漏极连接同一条第二电极走线，第一电极走线与第二电极走线在第二柔性基板上的延伸方向相反，但延伸方向不以此为限。实际实现时，也可采用丝网印刷或者3D打印的方式在第二柔性基板上形成源级阵列、漏极阵列、第一电极走线与第二电极走线。在对第二金属层进行图案化之后，采用掩模、旋涂的工艺制备有机半导体层以得到位于源极、漏极之间的沟道，有机半导体层的材料可以为聚-3已基噻吩(P3HT)、1，2，4-三氯苯(TCB)或者聚噻吩-吡咯并吡咯二酮(PDPP3T)等。

其中，提供整面状的微结构栅介电层的过程，可包括：提供一柔性介电薄膜；采用激光在柔性介电薄膜的上下表面刻蚀微结构阵列，微结构阵列包括金字塔阵列、四棱柱阵列、条纹结构阵列中的至少一种；得到整面状的微结构栅介电层。

选取PDMS、PU或者TPE等薄膜作为微结构栅介电层的材料，采用激光刻蚀技术在薄膜的上下表面制备金字塔、四棱柱、微凸起或者条纹结构阵列，得到整面状的微结构栅介电层，也即未进行阵列化的微结构栅介电层。每个微结构的底边长范围10～1000μm，高度范围1～1000μm，当需要精准检测1mm范围内的触觉信息时，触觉传感器与物体表面接触面积越小，检测精准性越高，因而微结构阵列优选金字塔结构。超快激光具有明显的非线性吸收效应，刻蚀微结构边缘热影响区域小，质量好，因而可优选超快激光刻蚀薄膜。另外，随着激光波长的增加，光热作用越明显，为了减小热效应，激光波长优选355nm。激光单脉冲能量范围为20～300μJ，当单脉冲能量小于20μJ时，刻蚀时间长，效率低；当单脉冲能量大于300μJ时，热影响增加，影响刻蚀质量。激光扫描速度范围为100～3000mm/s，当扫描速度小于100mm/s时，在累积热作用同样会影响刻蚀质量；当扫描速度大于3000mm/s时，激光光斑搭接率较低，刻蚀边缘质量同样较差。

步骤220，将第一柔性基板的栅极阵列、第二柔性基板的源漏极结构阵列组装在整面状的微结构栅介电层的两侧，组装过程中，对整面状的微结构栅介电层进行阵列化；

步骤230，得到具有呈阵列分布的多个柔性传感单元的柔性触觉传感器。

其中，在步骤220中，将第一柔性基板的栅极阵列组装在整面状的微结构栅介电层的一侧，之后，采用激光刻蚀整面状的微结构栅介电层，得到微结构栅介电层阵列，再将第二柔性基板的源漏极结构阵列组装在微结构栅介电层阵列的另一侧，即可完成组装。

组装时，先在第一柔性基板的设有栅极的表面旋涂PDMS预聚物，将具有双面金字塔结构的整面状的微结构介电层至于其表面进行固化，完成第一柔性基板与整面状的微结构栅介电层之间的组装，之后，采用激光刻蚀技术仅将整面状的微结构介电层阵列化，以减少柔性传感单元之间的干扰，增强检测准确度，每个微结构栅介电层的尺寸与源漏极结构的尺寸相同。接着，在第二柔性基板的具有有机半导体层的表面旋涂PDMS预聚物，并置于阵列化的微结构介电层的表面进行热压固定，完成第二柔性基板与微结构栅介电层之间的组装。最后，采用硅胶将第一柔性基板与第二柔性基板四周的间隙封装，得到柔性触觉传感器。

实际实现时，组装的顺序也可以是，将第二柔性基板的源漏极结构阵列组装在整面状的微结构栅介电层的一侧，之后，采用激光刻蚀整面状的微结构栅介电层，得到微结构栅介电层阵列，再将第一柔性基板的的栅极阵列组装在微结构栅介电层阵列的另一侧，因而可不具体限定组装的顺序。

接下来根据以上的制备过程列举几种具体的制备工艺。

制备工艺1：

(1)选取聚酰亚胺(PI)作为触觉传感器的第二柔性基板(下基板)，采用传统的掩模、磁控溅射工艺制备Au源极和漏极，源极和漏极的长度为50μm，宽度为10μm，沟道宽度为30μm，长度为50μm，阵列之间的间距为50μm。然后，采用掩模、旋涂的工艺制备P3HT有机半导体层；

(2)选取PDMS薄膜，采用激光刻蚀技术在其上下表面制备金字塔结构阵列，金字塔结构边长为50μm，高度为10μm，激光波长为355nm，单脉冲能量为50μJ，激光扫描速度为1000mm/s；

(3)选取聚酰亚胺(PI)作为触觉传感器的第一柔性基板(上基板)，采用传统的掩模、磁控溅射工艺制备Au栅极阵列，栅极的宽度为50μm。选用具有金字塔结构阵列的硅模具，金字塔结构边长为50μm，将PDMS单体与固化剂按10：1混合均匀，倒入硅模具之中，并在模具表面形成一层PDMS膜，再将作为第一柔性基板的薄膜压到上面，未制备栅极的一面与PDMS薄膜接触，放置60℃烘台上，将PDMS薄膜固化后剥离硅模。将双面金字塔结构的介电层置于栅极阵列的表面，然后采用激光刻蚀技术将介电层阵列化，介电层尺寸为50μm×50μm。最后，将有机半导体层置于介电层表面，采用硅胶将四周封装得到分辨率为100μm的柔性触觉传感器。

制备工艺2：

(1)选取聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为触觉传感器的第二柔性基板(下基板)，采用传统的掩模、磁控溅射工艺制备Au源极和漏极，源极和漏极的长度10μm，宽度为1μm，沟道宽度为8μm，长度为10μm，阵列之间的间距为10μm。然后采用掩模、旋涂的工艺制备P3HT有机半导体层；

(2)选取PDMS薄膜，采用激光刻蚀技术在其上下表面制备金字塔结构阵列，金字塔结构边长为10μm，高度为5μm。激光波长为355nm。激光单脉冲能量为50μJ，激光扫描速度为1000mm/s；

(3)选取聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为触觉传感器的第一柔性基板(上基板)，采用传统的掩模、磁控溅射工艺制备Au栅极阵列，栅极的宽度为10μm。选用具有金字塔结构阵列的硅模具，金字塔结构边长为10μm，将PDMS单体与固化剂按10：1混合均匀，倒入硅模具之中，并在模具表面形成一层PDMS膜，再将作为上基体的第一柔性基板压到上面，未制备栅极的一面与PDMS薄膜接触，放置60℃烘台上，将PDMS薄膜固化后剥离硅模。将双面金字塔结构的介电层置于栅极阵列表面，然后采用激光刻蚀技术将介电层阵列化，介电层尺寸为10μm×10μm。最后，将有机半导体层置于介电层表面，采用硅胶将四周封装得到分辨率为20μm的柔性触觉传感器。

制备工艺3：

(1)选取聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT)作为触觉传感器的第二柔性基板(下基板)，采用3D打印的技术制备Ag源极和漏极，源极和漏极的长度为500μm，宽度为100μm，沟道宽度为300μm，长度为500μm，阵列之间的间距为500μm。然后采用掩模、旋涂的工艺制备PDPP3T有机半导体层；

(2)选取PDMS薄膜，采用激光刻蚀技术在其上下表面制备金字塔结构阵列，金字塔结构边长为50μm，高度为20μm，间距为50μm。激光波长为532nm，激光单脉冲能量范围为100μJ，激光扫描速度范围为1000mm/s；

(3)选取聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT)作为触觉传感器的第一柔性基板(上基板)，采用3D打印的技术制备Ag栅极阵列，栅极的宽度为500μm。选用具有金字塔结构阵列的硅模具，金字塔结构边长为500μm，将PDMS单体与固化剂按10：1混合均匀，倒入硅模具之中，并在模具表面形成一层PDMS膜，再将作为上基体的第一柔性基板压到上面，未制备栅极的一面与PDMS薄膜接触，放置60℃烘台上，将PDMS薄膜固化后剥离硅模。将双面金字塔结构的介电层置于栅极阵列表面，然后采用激光刻蚀技术将介电层阵列化，介电层尺寸为500μm×500μm。最后，将有机半导体层置于介电层表面，采用硅胶将四周封装得到分辨率为1000μm的柔性触觉传感器。

制备工艺4：

(1)选取聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT)作为触觉传感器的第二柔性基板(下基板)，采用3D打印的技术制备Ag源极和漏极，源极和漏极的长度为250μm，宽度为100μm，沟道宽度50μm，长度为250μm，阵列之间的间距为250μm。然后采用掩模、旋涂的工艺制备PDPP3T有机半导体层；

(2)选取PDMS薄膜，采用激光刻蚀技术在其上下表面制备金字塔结构阵列，金字塔结构边长为25μm，高度为10μm，间距为50μm。激光波长为532nm，激光单脉冲能量范围为100μJ，激光扫描速度范围为1000mm/s；

(3)选取聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT)作为触觉传感器的第一柔性基板(上基板)，采用3D打印的技术制备Ag栅极阵列，栅极的宽度为250μm。选用具有金字塔结构阵列的硅模具，金字塔结构边长为250μm，将PDMS单体与固化剂按10：1混合均匀，倒入硅模具之中，并在模具表面形成一层PDMS膜，再将作为上基体的薄膜压到上面，未制备栅极的一面与PDMS薄膜接触，放置60℃烘台上，将PDMS薄膜固化后剥离硅模。将双面金字塔结构的介电层置于栅极阵列表面，然后采用激光刻蚀技术将介电层阵列化，介电层尺寸为250μm×250μm。最后，将有机半导体层置于介电层表面，采用硅胶将四周封装得到分辨率为500μm的柔性触觉传感器。

制备工艺5：

(1)选取聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT)作为触觉传感器的第二柔性基板(下基板)，采用3D打印的技术制备Ag源极和漏极，源极和漏极构成叉指电极，叉指长度为280μm，叉指宽度为20μm，叉指间距为20μm，叉指数为6，沟道宽度20μm，沟道长度为300μm，整个叉指电极的尺寸为300μm×220μm，阵列之间的间距为200μm。然后采用掩模、旋涂的工艺制备PDPP3T有机半导体层；

(2)选取PDMS薄膜，采用激光刻蚀技术在其上下表面制备金字塔结构阵列，金字塔结构边长为25μm，高度为10μm，间距为50μm。激光波长为532nm，激光单脉冲能量范围为100μJ，激光扫描速度范围为1000mm/s；

(3)选取聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT)作为触觉传感器的第一柔性基板(上基板)，采用3D打印的技术制备Ag栅极阵列，栅极的宽度为300μm。选用具有金字塔结构阵列的硅模具，金字塔结构边长为300μm，将PDMS单体与固化剂按10：1混合均匀，倒入硅模具之中，并在模具表面形成一层PDMS膜，再将作为上基体的薄膜压到上面，未制备栅极的一面与PDMS薄膜接触，放置60℃烘台上，将PDMS薄膜固化后剥离硅模。将双面金字塔结构的介电层置于栅极阵列表面，然后采用激光刻蚀技术将介电层阵列化，介电层尺寸为300μm×220μm。最后，将有机半导体层置于介电层表面，采用硅胶将四周封装得到分辨率为500μm的柔性触觉传感器。

本申请还提供一种柔性触觉传感器，采用如第三实施例所述的柔性触觉传感器的制备方法制备得到。

本实施例的柔性触觉传感器的制备方法，通过将第一柔性基板的栅极阵列、第二柔性基板的源漏极结构阵列组装在整面状的微结构栅介电层的两侧，组装过程中，对整面状的微结构栅介电层进行阵列化，可以便于制作微结构栅介电层及柔性传感单元的各组成部分，从而提高传感器的空间分辨率和灵敏度，制备工艺简单、成本低。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种柔性触觉传感器，其特征在于，包括第一柔性基板、第二柔性基板以及在所述第一柔性基板、所述第二柔性基板之间呈阵列分布的多个柔性传感单元，所述柔性传感单元包括栅极、微结构栅介电层及源漏极结构，所述栅极设置在所述第一柔性基板的朝向所述第二柔性基板的一侧表面上，所述源漏极结构设置在所述第二柔性基板的朝向所述第一柔性基板的一侧表面上并与所述栅极一一对应，所述微结构栅介电层设置在所述第一柔性基板与所述第二柔性基板之间并与所述栅极一一对应。

2.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述源漏极结构包括源极、漏极及位于所述源极、所述漏极之间的沟道，所述第一柔性基板的朝向所述第二柔性基板的一侧表面设有栅线，所述第二柔性基板的朝向所述第一柔性基板的一侧表面设有第一电极走线与第二电极走线，同一行栅极连接同一条栅线，同一列源极连接同一条第一电极走线，同一列漏极连接同一条第二电极走线。

3.根据权利要求2所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述沟道为有机半导体沟道，所述栅极、所述源极、所述漏极为金属电极。

4.根据权利要求2所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述栅极的宽度大于所述源极的内侧与所述漏极的内侧之间的距离，所述栅极的宽度小于或等于所述源极的外侧与所述漏极的外侧之间的距离。

5.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述第一柔性基板的背向所述第二柔性基板的一侧设有呈阵列分布的微结构凸起，所述微结构凸起的位置与所述栅极一一对应。

6.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述微结构栅介电层为上下表面设有微结构阵列的柔性介电层，所述微结构阵列包括金字塔阵列、四棱柱阵列、条纹结构阵列中的至少一种。

7.一种柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，包括：

a.提供第一柔性基板，所述第一柔性基板的一侧表面设有栅极阵列；提供第二柔性基板，所述第二柔性基板的一侧表面设有源漏极结构阵列；提供整面状的微结构栅介电层；

b.将所述第一柔性基板的栅极阵列、所述第二柔性基板的源漏极结构阵列组装在所述整面状的微结构栅介电层的两侧，组装过程中，对所述整面状的微结构栅介电层进行阵列化；

c.得到具有呈阵列分布的多个柔性传感单元的柔性触觉传感器。

8.根据权利要求7所述的柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，步骤a中，提供第一柔性基板，所述第一柔性基板的一侧表面设有栅极阵列，包括：

提供第一柔性基板；

在所述第一柔性基板的一侧表面形成第一金属层；

对所述第一金属层进行图案化，形成栅极阵列与栅线，同一行栅极连接同一条栅线。

9.根据权利要求8所述的柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述对所述第一金属层进行图案化之后，还包括：

提供具有微结构凹陷的模具；

在所述模具中倒入前驱体材料混合物，且所述前驱体材料混合物的深度高于所述微结构凹陷的深度；

将所述第一柔性基板的背向所述栅极阵列的一侧压在所述前驱体材料混合物的表面，并使所述栅极与所述微结构凹陷一一对应；

对所述前驱体材料混合物进行固化；

脱模，得到具有微结构凸起的第一柔性基板。

10.根据权利要求7所述的柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，步骤a中，提供第二柔性基板，所述第二柔性基板的一侧表面设有源漏极结构阵列，包括：

提供第二柔性基板；

在所述第二柔性基板的一侧表面形成第二金属层；

对所述第二金属层进行图案化，形成源级阵列、漏极阵列、第一电极走线与第二电极走线，其中，同一列源极连接同一条第一电极走线，同一列漏极连接同一条第二电极走线；

在所述第二金属层上形成有机半导体层；

对所述有机半导体层进行图案化，形成位于所述源极与所述漏极之间的沟道。

11.根据权利要求7所述的柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，步骤a中，提供整面状的微结构栅介电层，包括：

提供一柔性介电薄膜；

采用激光在所述柔性介电薄膜的上下表面刻蚀微结构阵列，所述微结构阵列包括金字塔阵列、四棱柱阵列、条纹结构阵列中的至少一种；

得到整面状的微结构栅介电层。

12.根据权利要求11所述的柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述激光的单脉冲能量范围为20～300μJ，所述激光的扫描速度范围为100～3000mm/s。

13.根据权利要求7所述的柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，步骤b，包括：

将所述第一柔性基板的栅极阵列组装在所述整面状的微结构栅介电层的一侧；

采用激光刻蚀所述整面状的微结构栅介电层，得到微结构栅介电层阵列；

将所述第二柔性基板的源漏极结构阵列组装在所述微结构栅介电层阵列的另一侧。

14.一种柔性触觉传感器，其特征在于，采用如权利要求7至13中任一项所述的柔性触觉传感器的制备方法制备得到。

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