CN112213004B - 基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，由封装层、柔性衬底/电极、梯度孔结构压阻层构成。灵敏度和响应范围作为触觉传感器最重要的两个指标，改善这两个指标一直都是触觉传感领域的研究热点，因为高灵敏度和大响应范围触觉传感器可以使机器人实现多场景精准感知，这一目标的实现将大大简化机器人传感设备，为机器人轻型化制备提供有利条件。但由于同时改善这两个指标的条件是相矛盾的，导致这一目标始终没有得到有效地进展。为了这一目标，本发明通过构建具有梯度弹性模量的梯度孔结构，实现了大响应范围、高灵敏度及快响应时间触觉传感器的制备。提供了一种适用于机器人多场景精准感知的新型结构触觉传感器制备方法。

Description

基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器

技术领域

本发明涉及一种基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，属于触觉传感技术领域。

背景技术

近年来，随着人工智能和物联网的迅速发展，智能感知在机器人、假肢感知外界环境和人机交互方面发挥着越来越重要的作用，触觉传感器作为实现智能感知最基础、最重要的技术方式，制备高性能触觉传感器成为了现阶段的研究热点。

对于触觉传感器而言，灵敏度、响应范围及响应时间是最重要的三个性能指标，因为灵敏度是触觉传感器检测精准程度的基本体现，响应范围决定着触觉传感器的应用场景，响应时间是触觉传感器传输快慢的决定性因素。因此，高灵敏度、大响应范围及快响应时间触觉传感器的制备可以使机器人、假肢快速、精准的在多场景下感知外界环境和人机交互。为了制备这一高性能的触觉传感器，学者们进行了大量的研究，主要集中在四类转导机制：压阻式、电容式、压电式及摩擦电式。其中压阻式触觉传感器由于制备工艺简便、灵敏度高及可检测动静态施加力等优点，应用最为广泛。但经研究表明，改善灵敏度和响应范围两个性能指标的条件要求是相矛盾的，比如，要实现小施加力范围内的高灵敏度感知，就需要有低弹性模量的弹性体，而低弹性模量的弹性体在大施加力范围内失去了响应，再比如，要实现大施加力范围内的高灵敏度感知，就需要有高弹性模量的弹性体，而高弹性模量的弹性体在小施加力范围内不能产生响应。因此目前制备的触觉传感器仅能在某一范围内(小范围施加力或大范围施加力)保持着较高灵敏度。

上述分析认为，现阶段无法有效实现在大响应范围内保持高灵敏度触觉传感器的制备，这一问题的存在会很大程度上降低触觉传感器在机器人、假肢应用中感知外界环境和人机交互的精准度和场景利用率，会使机器人、假肢的传感设备复杂化。针对这一问题，我们通过构建具有梯度弹性模量的梯度孔结构(孔隙和孔径从上至下逐渐降低)和制备梯度孔结构压阻层，实现了高灵敏度、大响应范围及快响应时间压阻式触觉传感器的制备。这一触觉传感器的制备将大大简化机器人传感设备，为机器人的轻型化制备提供有利条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于梯度弹性模量改善触觉传感器灵敏度、响应范围及响应时间的方法，提供一种适用于机器人多场景快速精准感知的新型结构触觉传感器的制备方法。

本发明一是提供一种基于梯度弹性模量的高灵敏度、大响应范围及快响应时间触觉传感器，包括封装层、柔性衬底/电极、梯度孔结构压阻层。

本发明二是提供了一种适用于机器人多场景快速精准感知的新型结构触觉传感器的制备方法。

为了实现本发明的目的，实行了以下技术方案：

一种基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器的制备方法，由柔性衬底/电极、封装层及梯度孔结构压阻层组成。

进一步的，柔性衬底/电极通过在柔性衬底上蒸镀ITO薄膜，ITO薄膜厚度为50nm，所述的柔性衬底材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。

进一步的，梯度孔结构压阻层由梯度孔结构聚合物材料和导电材料组成。

进一步的，梯度孔结构聚合物材料通过蒸汽法制备，制备温度为120-250℃，优选为150-200℃。所述的聚合物材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

进一步的，制备梯度孔结构聚合物材料的保温时间为8-20min，优选为10-15min。

进一步的，所述梯度孔结构聚合物材料的孔隙分布由上至下呈现由大至小的趋势，底层达到致密，孔径分布由上至下同样呈现出由大至小的趋势，这一结构的构建能使一块聚合物材料薄膜具有不同弹性模量。

进一步的，梯度孔结构压阻层通过将导电材料以渗透填充方式均匀分散于梯度孔结构聚合物材料中实现制备，所述的导电材料为碳纳米管，所述梯度孔结构压阻层的厚度为200μm。

进一步的，将所述的梯度孔结构压阻层经氧等离子处理之后，将其层压于上、下柔性衬底/电极之间。

进一步的，采用聚合物材料将上述器件进行封装，所述的聚合物材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

与已有技术相比，本发明的有益效果为：

在本发明中，基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，与现阶段制备的触觉传感器相比，它具有在大响应范围内始终保持高灵敏度、快响应时间的能力，这一能力在机器人应用中可以使基于梯度弹性模量的触觉传感器实现的功能相当于多个普通具有不同响应范围的集成触觉传感器的功能，可以较好的应用于多场景精准快速的检测，进而进一步简化机器人、假肢的传感设备，为轻量化、小型化人机交互机器人的制备提供了有利条件。此外，基于梯度弹性模量触觉传感器的制备工艺简便、易于读取、易于集成及易于产业化。

附图说明

图1为基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器的三维结构图；

图2为基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器的制备流程图；

图3为梯度孔结构聚合物材料的断面扫描图；

图4为基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器的不同压力下I-V的曲线；

图5为基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器的响应时间；

图6为基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器和基于单一弹性模量的触觉传感器电流相对变化量对比图；

图中标号：1上柔性基底；2上电极；3梯度孔结构聚合物；4碳纳米管；5下电极；6下柔性基底。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明，所述的实施例仅用于说明本发明，而不应将本发明的保护范围限于所述实施例。

实施例

如图1所示，基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器包括上柔性衬底1/电极2、下柔性衬底6/电极5、梯度孔结构聚合物3和碳纳米管4。

柔性衬底1为电极2提供支撑作用，封装层为器件提供器件不受环境如水氧、灰尘的侵蚀和影响的保障，由梯度孔结构聚合物3和碳纳米管4组成的具有梯度弹性模量的梯度孔结构压阻层是该触觉传感器的核心部分，位于上柔性衬底1/电极2和下柔性衬底6/电极5之间，并与两柔性衬底/电极接触。具体制备流程图如图2所示。其中，梯度孔结构聚合物层具体表现为孔隙率由上至下呈现出由大至小的趋势，底层达到致密，孔径大小由上至下同样呈现出由大至小的趋势。梯度孔结构的构建，可以保证在同一弹性体实现不同弹性模量的组成单元，即由上之下，弹性模量逐渐增加，而在不同响应范围内实现高灵敏度触觉传感器制备的本质就是改变弹性体的弹性模量。因此，在具有梯度弹性模量的梯度孔结构条件下，当施加小作用力时，高孔隙部分具有大的应变，即具有高的灵敏度，当施加大作用力时，低孔隙部分和致密部分可以使器件具有高的响应，即可以实现触觉传感器在大响应范围内均保持高灵敏度的状态。

具体的，选用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为柔性基底，在柔性基底上通过电子束蒸镀透明ITO电极，电极厚度为50nm。之后将柔性衬底/电极(PET/ITO)裁剪为1cm×2.5cm,厚度为150μm。

具体的，梯度孔结构压阻层由梯度孔结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)和碳纳米管组成。其中，梯度孔结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过蒸汽法制备，具体的制备方法为：首先，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)的单体和交联剂按10∶1比例混合，之后均匀搅拌，抽真空除泡。通过旋涂仪将配制的聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂覆在玻璃片上，转速为500rpm，时间为30s。然后将涂覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)的玻璃片放入高压釜中，之后放入鼓风干燥箱在150℃条件下保温12min。最后，将高压釜取出，将具有梯度孔结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)剥离下来，放入干燥箱干燥，之后，将其裁剪为1cm×1cm方形，待用。梯度孔结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)的断面扫描图如图3所示，可以看出，孔隙层和致密层比例为4∶1(孔隙层和致密层的比例可以调控)，孔隙和孔径由上至下呈现出由大至小的趋势，底层达到致密，呈现出非常标准的梯度孔结构。

具体的，通过渗透填充法将碳纳米管均匀分散于梯度孔结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)中完成梯度孔结构压阻层的制备，具体的制备方法为：首先，将所购买的碳纳米管研磨，放入鼓风干燥箱干燥10h，之后将按3wt.％的配比的碳纳米管倒入二甲基甲酰胺，进行搅拌30min，超声6h，得到分散均匀的碳纳米管溶液，待用。

具体的，将上述裁剪的梯度孔结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)放入甲苯溶液中，使其发生溶胀。之后将已溶胀的梯度孔结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)放入碳纳米管溶液中，之后搅拌，得到了梯度孔结构压阻层，厚度为200μm。

具体的，将梯度孔结构压阻层经氧等离子体处理，之后层压在上、下柔性衬底/电极之间，之后采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装，厚度为100μm，制备了基于梯度孔结构的触觉传感器。

图4(a)和(b)分别为在施加0–1.5N和1.5–40N力条件下得到的不同压力的I-V曲线，从图中可以看出，将0-40N(压强相当于0-400KPa)作用于梯度弹性模量触觉传感器上，响应电流发生了2个数量级的变化(从10^-5到10^-3)，变化量是较为可观的，结合图(a)和(b)可以看出，该触觉传感器在小施加力范围还是大施加力范围内均具有非常好的响应。同时也可以看出，无论在小施加力范围还是大施加力范围内施加较小差别力时，同样具有较好的响应，说明该传感器在大响应范围内具有较高的分辨率。实现在大范围压力内具有高电流响应和高分辨率的机理为，在施加小压力时，梯度孔结构的大孔隙率部分由于其弹性模量小，因而易于产生大的应变，大的应变可以使更多的碳纳米管导电通路形成，进而产生大的响应电流。同理，在施加中压力和大压力时，梯度孔结构的低孔隙部分和致密层具有相对较大的弹性模量可以产生大的应变，大应变增加了碳纳米管导电通路形成，进而产生了大的响应电流。

图5为基于梯度弹性模量的高性能触觉传感器的响应时间，从图中可以看出，施加力响应时间为29ms，释放力时时间为23ms，在施加和释放阶段都具有较快的响应时间，这一响应时间在现阶段触觉传感器研究中处于较高水平。

综上所述，基于梯度弹性模量的触觉传感器具有大的响应范围、高的灵敏度、快的响应时间及高的分辨率，这些优异的指标可以使该触觉传感器使机器人完成多场景快速精准的感知，大大地提高了触觉传感器在机器人中的利用率，进一步有效地简化机器人的传感设备。

对比例

为了进一步说明本技术方案的意义，将实施例中的具有梯度弹性模量的梯度孔结构压阻层换成具有单一弹性模量的平面层结构压阻层作为对比例，其它条件均与实施例相同。

具体的，选用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为柔性衬底，在柔性衬底上通过电子束蒸镀透明ITO电极，电极厚度为50nm。之后将柔性衬底/电极(PET/ITO)裁剪为1cm×2.5cm,厚度为150μm。

具体的，平面层结构压阻层由平面层结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)和碳纳米管组成，具体的制备方法为：首先，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)的单体和交联剂按10∶1比例混合，之后均匀搅拌，抽真空除泡。通过旋涂仪将配制的聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂覆在玻璃片上，转数为500rpm，时间为30s。然后将涂覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)的玻璃片放入鼓风干燥箱在80℃保温4h。最后，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)从玻璃片上剥离，便得到了平面层结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)，之后，将其裁剪为1cm×1cm方形，待用。

具体的，通过渗透填充法将碳纳米管均匀分散于平面层结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)中完成平面层结构压阻层的制备，具体的制备方法为：首先，将所购买的碳纳米管研磨，放入鼓风干燥箱干燥10h，之后将按3wt.％配比的碳纳米管加入二甲基甲酰胺溶液中，进行搅拌30min，超声6h，得到分散均匀的碳纳米管溶液，待用。

具体的，将上述裁剪的平面层结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)放入甲苯溶液中，使其发生溶胀。之后将已溶胀的平面层结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)放入碳纳米管溶液中，之后搅拌，得到了平面层结构压阻层，厚度为200μm。

具体的，将平面层结构压阻层经氧等离子体处理，之后层压在上、下柔性衬底/电极之间，之后采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装，厚度为100μm，制备了基于平面层结构的触觉传感器。

图6为实施例和对比例制备的触觉传感器灵敏度对比图，从图中可以看出，对于0-400KPa的压强范围内，在相同压强条件下，基于梯度弹性模量的触觉传感器的电流相对变化量远大于基于单一弹性模量的触觉传感器的电流相对变化量，说明了具有梯度弹性模量的梯度孔的构建大大地增加了触觉传感器的灵敏度。其中，在0-10KPa范围内，基于梯度弹性模量的触觉传感器的灵敏度为0.4KPa^-1，基于单一弹性模量的触觉传感器为0.01KPa^-1。在10-150KPa范围内，基于梯度弹性模量的触觉传感器的灵敏度为0.16KPa^-1，基于单一弹性模量的触觉传感器为0.008KPa^-1。在150-400KPa范围内，基于梯度弹性模量的触觉传感器的灵敏度为0.03KPa^-1，基于单一弹性模量的触觉传感器为0.0045KPa^-1。综上所述，具有梯度弹性模量的梯度孔结构的构建使触觉传感器在大响应范围内保持较高灵敏度的同时，也大大增加了触觉传感器的灵敏度，比基于单一弹性模量的平面层结构触觉传感器高出几十倍。

Claims (7)

1.一种基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，其特征在于，包括封装层、柔性衬底/电极和梯度孔结构压阻层，其中柔性衬底为电极提供支撑，厚度为150-300μm，电极分布于柔性衬底表面，厚度为25-55nm，梯度孔结构压阻层位于上、下柔性衬底/电极之间，与两柔性衬底/电极接触，厚度为100-300μm，封装层提供保证器件不受水氧、灰尘的侵蚀和影响的作用；

所述梯度孔结构压阻层由梯度孔结构聚合物材料和导电材料组成；

所述梯度孔结构聚合物材料的孔隙分布由上至下呈现由大至小的趋势，底层达到致密，孔径分布由上至下同样呈现出由大至小的趋势。

2.根据权利要求1所述的基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，其特征在于，所述柔性衬底为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚对苯二甲酸乙二酯PET、聚酰亚胺PI。

3.根据权利要求1所述的基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，其特征在于，所述电极材料为ITO薄膜、石墨烯薄膜、碳纳米管、银纳米线。

4.根据权利要求1所述的基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，其特征在于，所述的封装层材料为聚二甲基硅氧烷PDMS。

5.根据权利要求1所述的基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，其特征在于，所述的梯度孔结构压阻层是将导电材料通过渗透填充的方式均匀分散于梯度孔结构聚合物材料，导电材料为碳纳米管、银纳米线、Mxene。

6.根据权利要求5所述的基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，其特征在于，所述的梯度孔结构聚合物材料通过蒸汽法制备，聚合物材料为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚酰亚胺PI、聚偏氟乙烯PVDF。

7.根据权利要求6所述的基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，其特征在于，所述蒸汽法的制备温度为120-250℃，保温时间8-20min。

Images