CN111982162A - 一种柔性电容式接近-触觉双模传感阵列及制备方法 - Google Patents

一种柔性电容式接近-触觉双模传感阵列及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性电容式接近‑触觉双模传感阵列及制备方法，包括，制备电极层、制备介电层、传感器阵列封装。通过制备得到包括介电层、上电极层和下电极层以及电极层外侧的透明柔性基底，上电极层和下电极层的线性阵列每列包含多个电极单元，上电极层和下电极层的线性阵列相互呈垂直分布于介电层的上下表面，通过蛇形引出线连接外电路。本发明采用3D打印技术进行电极层的制备，工艺简单，成本低，具有良好的延展性。h‑BN/PDMS介电层上下表面具有微结构，可以提高触觉检测模式的灵敏度、响应时间等性能参数。

Description

一种柔性电容式接近-触觉双模传感阵列及制备方法
技术领域
本发明属于柔性传感器领域，特别是涉及一种基于3D打印技术的柔性电容式接近-触觉双模传感阵列及其制备方法。
背景技术
随着计算机技术和传感器技术的发展以及智能终端的普及，为柔性可穿戴传感器的研究提供广阔的发展空间和市场前景。柔性传感器具有延展性、成本低、与人体易共形等特点，主要应用于医疗监测、机器人、游戏等领域。随着人们对传感器结构尺寸以及功能要求越来越高，单一功能的传感器已经不能满足需求。接近感知传感器和触觉传感器是当前柔性传感器的研究热点之一。因此，把两者集成到单个传感器中，对柔性可穿戴传感器的发展及应用十分重要。
目前，接近感知方式主要有电容感知、红外光、超声波、磁感应等方式。相比于其他几种方式，电容传感器具有动态响应特性好、高空间分辨率、高灵敏度等、制备简单等特点，同时对颜色和纹理不敏感。此外，电容式传感方式已经广泛应用于触觉传感器，具有成熟的设计方案。将两种检测模式集成在单片传感器后，可以用来感知物体在接近过程中的距离和空间位置，以及在接触到传感器后压力大小等参数，通过对检测结果处理，可实现对接近物体三维感知的功能。
传统的电容式传感器制造存在工艺复杂、精度低、成本高、基体为刚性、难以阵列化等问题，严重影响柔性传感器的发展。近年来，纳米材料技术以及3D打印技术的快速发展使得电容式传感器的阵列化、柔性化、微型化成为可能。因此，采用3D打印技术可以快速完成三维构型能力强、精密度高、面积大、结构复杂的柔性传感器的制备，为研究柔性电容式接近-触觉传感器阵列提供方法和基础。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种采用3D打印技术的柔性电容式接近-触觉双模传感阵列设计及其制备方法，解决传统的电容式传感器基体刚性化、难以阵列化等问题，实现了电容式传感器的阵列化、柔性化、微型化。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备电极层：
柔性基底预处理；
将银基材料通过3D打印的方法按照预定的电极图形打印到预处理后的柔性基底上，形成多条呈线性排列的导电电极，干燥，形成银电极层；
S2，制备介电层：
将掺杂h-BN的PDMS介电层薄膜材料旋涂在具有金字塔微结构的砂纸上，抽取介电层薄膜材料中的气泡，干燥，固化，得到具有凹槽微结构的介电层；
将两片固化的h-BN/PDMS介电层光滑面粘贴在一起，使上下表面具有凹槽微结构，作为传感器阵列的介电层；
S3，传感器阵列封装：
将步骤S1得到的具有两个线性排列的电极层封装于介电层上下表面，上电极层与下电极层的多条线性排列的电极相互垂直，自此完成电容式接近-触觉双模传感阵列的制备。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，柔性基底预处理为在等离子清洗机中清理3-5min。
进一步，所述银基材料为银墨水或导电银胶。
进一步，在柔性基体上形成大小一致的条状导电电极以及用于连接电极的蛇形导线，在60～80℃条件下加热1～3h，使液态银电极固化。
进一步，所述掺杂h-BN的PDMS介电层薄膜材料为将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂和h-BN以质量比为(5～15):1：(0.5～1)的比例混合。
进一步，所述固化剂型号为道康宁184。
进一步，将适量的h-BN/PDMS混合材料均匀涂抹在具有金字塔型微结构的砂纸上，再将涂抹h-BN/PDMS的砂纸放在匀胶机上以500～1000r/min的转速旋转40～60s。
进一步，在真空抽滤机中除去h-BN/PDMS薄膜内的气泡，于恒温加热台上60～80℃条件下加热2～4h，使h-BN/PDMS薄膜固化。
本发明进而给出了一种电容式接近-触觉双模传感阵列，包括介电层、上电极层和下电极层以及电极层外侧的透明柔性基底，上电极层和下电极层的线性阵列每列包含多个电极单元，上电极层和下电极层的线性阵列相互呈垂直分布于介电层的上下表面，上电极层与下电极层通过蛇形引出线连接外电路。
进一步，使用PET材料作为柔性基底支撑电容电极。
进一步，上电极层和下电极层组成平行板电容，传感器受力发生形变后电容值改变，通过检测电容变化量来测量外部力的大小：
C0＝ε0εrS/d0
式中，ε0为真空介电常数；εr为介电层的相对介电常数；d0为电容极板间的初始间隙；S为电极重叠相对面积。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明的一种电容式接近-触觉双模传感阵列，基于平行板电容器原理，采用三明治结构，具有微结构的h-BN/PDMS薄膜作为介电层，带有蛇形电极的柔性基底作为上下电极层，结构简单。本发明的电容阵列的PDMS介电层具有高柔性、低模量、低成本等特点。此外，在PDMS中掺杂h-BN材料，相较于纯PDMS的介电层，提高了介电层的介电常数等力电性能，改善了传感器性能参数。
本发明的电容式接近-触觉传感器阵列上具有两种检测模式，采用3D打印技术进行电极层的制备，工艺简单，成本低，具有良好的延展性。h-BN/PDMS介电层上下表面具有微结构，可以提高触觉检测模式的灵敏度、响应时间等性能参数。当用于接近检测模式时，物体接近电容阵列，所接近的电容单元电容值减小，即传感器可以检测物体的位置、距离，从而感受被检测物体的形状。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明一种电容式接近-触觉双模传感阵列的电容单元结构示意图；
图2是本发明一种电容式接近-触觉双模传感阵列的上电极层示意图；
图3是本发明一种电容式接近-触觉双模传感阵列的上下电极层叠合后的俯视图；
图4是本发明用于介电层倒模的砂纸扫描电镜图；
图5是本发明介电层表面微结构扫描电镜图；
图6是本发明一种电容式接近-触觉双模传感阵列在接近模态时电场分布原理图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参考图1-图3，电容式接近-触觉双模传感阵列，包括上柔性基底1和下柔性基底5，上电极层2和下电极层4，上电极层2和下电极层4之间设置有介电层3；介电层3上下表面均有微结构；上电极层2和下电极层4均有用于外部连接的蛇形引出线。上电极层2和下电极层4的线性阵列每列包含多个电极单元，上电极层和下电极层的线性阵列相互呈垂直分布于介电层的上下表面，见图2所示，上电极层与下电极层通过蛇形引出线连接外电路。
在一个实施例中，使用PET作为上柔性基底1和下柔性基底5的材料，用于支撑上电极层2和下电极层4，厚度为100μm；上电极层2和下电极层4的材料为银，上电极层2和下电极层4均呈线性阵列排列且相互垂直，每列包含多个电极单元，电极列的间距为4mm，电极单元的间距为4mm；每列的电极单元的直径为4mm，电极厚度为15～30μm；电极单元的连接线线宽度为0.5mm，厚度为15～30μm。
介电层3的材料为掺杂了h-BN的PDMS，聚二甲基硅氧烷和固化剂以质量比；介电层3的上下表面具有微结构，微结构是通过在具有金字塔型微结构的砂纸上倒模形成的。
参考图1-图3，一个实施例中，一种基于3D打印的电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法包括下列步骤：
首先，制备电极层：
获取柔性基体材料PET，将柔性基体材料在等离子清洗机中清理3-5min。
然后，将银墨水或者导电银胶通过喷涂或者点胶的3D打印方式打印到柔性基底材料上，按照预定的电极形状，在柔性基体上形成大小一致的条状导电电极以及用于连接电极的蛇形导线。将打印完成的柔性基底放在恒温加热台上，在60～80℃条件下加热1～3h，使电极固化，优选在70℃条件下加热2h。
然后，制备介电层：
将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂和h-BN以质量比为(5～15):1：(0.5～1)配制，优选以质量比为10：1：0.5配制。使用玻璃棒充分搅拌3min，将适量的h-BN/PDMS混合材料均匀涂抹在具有金字塔型微结构的砂纸上，再将涂抹h-BN/PDMS的砂纸放在匀胶机上以500～1000r/min的转速旋转40～60s；优选在600r/min的转速旋转50s。
然后，将涂有h-BN/PDMS的砂纸从匀胶机中取出，放在真空抽滤机中除去h-BN/PDMS薄膜内的气泡。抽取完毕后，放在恒温加热台上，在60～80℃条件下加热2～4h，优选在70℃条件下加热3h，使h-BN/PDMS薄膜固化。
然后，将h-BN/PDMS薄膜从具有金字塔型微结构的砂纸上取下来，获得具有金字塔凹槽微结构的薄膜。把两片h-BN/PDMS薄膜光滑的一侧贴合，具有金字塔凹槽微结构的表面作为贴合后薄膜的上下表面，贴合完成的薄膜作为传感器阵列的介电层。
图4示出了用于介电层倒模的砂纸扫描电镜图；图5示出了介电层表面微结构扫描电镜图。
最后，传感器阵列封装：
按照图1-图3所示的结构，介电层位于具有电极层的柔性基底之间，裁剪介电层与电极阵列尺寸一致，将介电层与打印完成电极的柔性基底贴合在一起，上下电极层相互垂直，完成电容式接近-触觉传感器阵列的制备。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明制备方法和效果。
实施例1
将柔性基体材料在等离子清洗机中清理4min。将银墨水通过喷涂3D打印方式打印到柔性基底材料上，形成大小一致的条状导电电极以及蛇形导线。将打印完成的柔性基底放在恒温加热台上，在70℃条件下加热2h。
将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂和h-BN以质量比为10：1：0.5配制。搅拌3min，将h-BN/PDMS混合材料均匀涂抹在砂纸上，再在匀胶机上以600r/min的转速旋转50s。
除去h-BN/PDMS薄膜内的气泡，在70℃条件下加热3h，使h-BN/PDMS薄膜固化。
把两片h-BN/PDMS薄膜光滑的一侧贴合，具有金字塔凹槽微结构的表面作为贴合后薄膜的上下表面，贴合完成的薄膜作为传感器阵列的介电层。
介电层位于具有电极层的柔性基底之间，裁剪介电层与电极阵列尺寸一致，将介电层与打印完成电极的柔性基底贴合在一起，上下电极层相互垂直，完成电容式接近-触觉传感器阵列的制备。
实施例2
将柔性基体材料在等离子清洗机中清理5min。将导电银胶通过点胶的3D打印方式打印到柔性基底材料上，形成大小一致的条状导电电极以及蛇形导线。将打印完成的柔性基底放在恒温加热台上，在60℃条件下加热3h。
将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂和h-BN以质量比为15：1：0.5配制配制。搅拌3min，将h-BN/PDMS混合材料均匀涂抹在砂纸上，再在匀胶机上以500r/min的转速旋转60s。
除去h-BN/PDMS薄膜内的气泡，在80℃加热2h，使h-BN/PDMS薄膜固化。
把两片h-BN/PDMS薄膜光滑的一侧贴合，具有金字塔凹槽微结构的表面作为贴合后薄膜的上下表面，贴合完成的薄膜作为传感器阵列的介电层。
介电层位于具有电极层的柔性基底之间，裁剪介电层与电极阵列尺寸一致，将介电层与打印完成电极的柔性基底贴合在一起，上下电极层相互垂直，完成电容式接近-触觉传感器阵列的制备。
实施例3
将柔性基体材料在等离子清洗机中清理3min。将银墨水或者导电银胶通过喷涂的3D打印方式打印到柔性基底材料上，形成大小一致的条状导电电极以及蛇形导线。将打印完成的柔性基底放在恒温加热台上，在80℃条件下加热1h。
将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂和h-BN以质量比为5：1：1配制。搅拌3min，将h-BN/PDMS混合材料均匀涂抹在砂纸上，再在匀胶机上以600r/min的转速旋转50s以1000r/min的转速旋转40s。
除去h-BN/PDMS薄膜内的气泡，在60℃加热4h，在70℃条件下加热3h，使h-BN/PDMS薄膜固化。
把两片h-BN/PDMS薄膜光滑的一侧贴合，具有金字塔凹槽微结构的表面作为贴合后薄膜的上下表面，贴合完成的薄膜作为传感器阵列的介电层。
介电层位于具有电极层的柔性基底之间，裁剪介电层与电极阵列尺寸一致，将介电层与打印完成电极的柔性基底贴合在一起，上下电极层相互垂直，完成电容式接近-触觉传感器阵列的制备。
本发明的一个实施例中，提供了基于3D打印技术的电容式接近-触觉双模传感阵列的设计和制备方法，制备了一个4×4的电容传感器阵列，整个器件的尺寸为3.2cm×3.2cm。
本发明3D打印的柔性电容式接近-触觉双模传感阵列的接近传感模式工作原理如下：
图6所示为电容式接近-触觉双模传感阵列在接近模态时电场分布原理图。边缘场电容效应作用条件下，接近觉传感模态同时存在自电容CM(上电极相对于大地的电容)和互电容CF(上下电极之间的电容)。通过在电极与靠近的物体(如人的手指)之间形成寄生电容而CM显著增加，对于接近传感器，CM使其能够通过识别电容变化最大的行和列电极来检测接近物体的位置。当物体接近电容器时，两个电极之间的边缘电场将被接近物分流，接近物与极板间的寄生电容变大，从而导致极板间电容效应减弱，接近电容效应增强。CF形成于电极交叉处，具有可访问测量的密封电容结构，从而可以消除鬼点，允许精确的多点位置识别。因此，可以通过上述边缘场电容效应在非接触接近条件下增强的机制，从而可以实现传感系统对接近物的感知检测。
接近-触觉传感器阵列用于触觉检测时，上下电极组成平行板电容，传感器受力发生形变后电容值改变，通过检测电容变化量来测量外部力的大小。对于层级结构的接近-触觉传感器，不考虑边缘电场影响时，在零压力状态其初始电容量C0为如式(1)所示。
C0＝ε0εrS/d0 (1)
式中ε0为真空介电常数，ε0＝8.854×10-12F/m；εr为介电层的相对介电常数；d0为电容极板间的初始间隙；S为电极重叠相对面积。改变εr、d0、S其中任一值均会引起电容值变化，本发明采用改变d0的变间距型电容式传感器。
以上的实施例只对本发明进行说明，但本发明并不限于本实施例，电容阵列的电容单元数和尺寸大小可变化修改。该传感器阵列具有接近感知和触觉感知两种模式，当物体靠近电容阵列中的某一单元时，该电容单元的电容值将下降，可以检测物体的形状和距离，当物体接触到传感器是可以检测施加的压力。本发明所提供的传感器阵列结构简单，制备流程易操作，成本较低，适合大规模生产的需要。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制备电极层：
柔性基底预处理；
将银基材料通过3D打印的方法按照预定的电极图形打印到预处理后的柔性基底上，形成多条呈线性排列的导电电极，干燥，形成银电极层；
S2，制备介电层：
将掺杂h-BN的PDMS介电层薄膜材料旋涂在具有金字塔微结构的砂纸上，抽取介电层薄膜材料中的气泡，干燥，固化，得到具有凹槽微结构的介电层；
将两片固化的h-BN/PDMS介电层光滑面粘贴在一起，使上下表面具有凹槽微结构，作为传感器阵列的介电层；
S3，传感器阵列封装：
将步骤S1得到的具有两个线性排列的电极层封装于介电层上下表面，上电极层与下电极层的多条线性排列的电极相互垂直，自此完成电容式接近-触觉双模传感阵列的制备。
2.根据权利要求1所述的电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，柔性基底预处理为在等离子清洗机清理3-5min。
3.根据权利要求1所述的电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，所述银基材料为银墨水或导电银胶。
4.根据权利要求1所述的电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，在柔性基体上形成大小一致的条状导电电极以及用于连接电极的蛇形导线，在60～80℃条件下加热1～3h，使液态银电极固化。
5.根据权利要求1所述的电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，所述掺杂h-BN的PDMS介电层薄膜材料为将聚二甲基硅氧烷、固化剂和h-BN以质量比为(5～15):1：(0.5～1)的比例混合；
所述固化剂为道康宁184。
6.根据权利要求1所述的电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，将适量的h-BN/PDMS混合材料均匀涂抹在具有金字塔型微结构的砂纸上，再将涂抹h-BN/PDMS的砂纸放在匀胶机上以500～1000r/min的转速旋转40～60s。
7.根据权利要求1所述的电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，在真空抽滤机中除去h-BN/PDMS薄膜内的气泡，于恒温加热台上60～80℃条件下加热2～4h，使h-BN/PDMS薄膜固化。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述方法制备的电容式接近-触觉双模传感阵列，其特征在于，包括介电层、上电极层和下电极层以及电极层外侧的透明柔性基底，上电极层和下电极层的线性阵列每列包含多个电极单元，上电极层和下电极层的线性阵列相互呈垂直分布于介电层的上下表面，上电极层与下电极层通过蛇形引出线连接外电路。
9.根据权利要求8所述的电容式接近-触觉双模传感阵列，其特征在于，使用PET材料作为柔性基底支撑电容电极。
10.根据权利要求8所述的电容式接近-触觉双模传感阵列，其特征在于，上电极层和下电极层组成平行板电容，可检测到接近传感器阵列的物体，当传感器受力发生形变后电容值改变，通过检测电容变化量来测量外部力的大小：
C0＝ε0εrS/d0
式中，ε0为真空介电常数；εr为介电层的相对介电常数；d0为电容极板间的初始间隙；S为电极重叠相对面积。
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