CN112284577B - 一种压电压阻复合式触觉传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种压电压阻复合式触觉传感器及制备方法，包括第一电极结构层，第一电极结构层的下方设有压电力敏结构层，压电力敏结构层的下方设有第二电极结构层，第二电极结构层的下方设有柔性绝缘层，柔性绝缘层的下方设有第三电极结构层，第三电极结构层的下方设有压阻力敏结构层，压阻力敏结构层的下方设有第四电极结构层；压电力敏结构层和压阻力敏结构层分别实现对外部动态和静态触觉力学信号的感知；封装后的复合式触觉传感器在第一电极结构层的上面设有第二基底层，第四电极结构层的下方设有第一基底层；本发明制备的复合式触觉传感器同时具备压阻式和压电式感知机理，实现多模态力学参量的测量，可用于柔性穿戴设备、智能机器人等领域。
Description
技术领域
本发明涉及触觉传感器技术领域，具体涉及一种压电压阻复合式触觉传感器及制备方法。
背景技术
受人体皮肤对于外界环境中的动态刺激和静态刺激分别由不同的神经单元进行感知的启发，现有设计的柔性触觉传感器分别采用压电式力敏层和压阻式力敏层进行动态力和静态力的测量，以实现触觉力学参量的测量。
触觉传感器是应用最为广泛的柔性穿戴设备，常见的柔性触觉传感器大多只能够实现是单一形式的测量机理，采用压阻式传感器同时进行动态力和静态力的测量，或者采用压电式传感器进行动态力的测量。而在柔性穿戴设备、智能机器人等应用领域进行的测量环境都比较复杂，要求实现静态力和动态力的同时测量，进而更加完整的获取传感器所接触的外界环境力学参量的施加情况，现有的压阻式传感器或压电式传感器不能满足要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种压电压阻复合式触觉传感器及制备方法，制备的复合式触觉传感器同时具备压阻式和压电式感知机理，以实现多模态力学参量的测量，可用于柔性穿戴设备、智能机器人、医疗康复应用等领域。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种压电压阻复合式触觉传感器，包括第一电极结构层1，第一电极结构层1的下方设有压电力敏结构层2，压电力敏结构层2的下方设有第二电极结构层3，第二电极结构层3的下方设有柔性绝缘层4，柔性绝缘层4的下方设有第三电极结构层5，第三电极结构层5的下方设有压阻力敏结构层6，压阻力敏结构层6的下方设有第四电极结构层7；压电力敏结构层2和压阻力敏结构层6分别实现对外部动态和静态触觉力学信号的感知。
封装后的复合式触觉传感器在第一电极结构层1的上面设有第二基底层9，第四电极结构层7的下方设有第一基底层8，第一基底层8、第二基底层9分别为制备压阻式触觉传感器、压电式触觉传感器的基底层，第一基底层8、第二基底层9采用PDMS。
一种压电压阻复合式触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)第一基底层8、第二基底层9采用PDMS制备PDMS薄膜；
2)在第一基底层8上表面、第二基底层9下表面上溅射金属作为第四电极结构层7、第一电极结构层1；
3)压电力敏结构层2采用有机聚合物PVDF或PVDF共聚物通过静电纺丝工艺进行制备；
4)柔性绝缘层4选用PDMS基本组分和固化剂按照10:1的配比，混合均匀后经真空操作除去PDMS中的气泡，旋涂制备厚薄均匀的PDMS薄膜，在70℃下加热固化，剥离得到柔性绝缘层4；
5)在柔性绝缘层4上下分别通过溅射工艺制备第二电极层结构3、第三电极层结构5；
6)压阻力敏结构层6采用热塑性高分子聚合物PU或PS通过静电纺丝工艺进行纤维薄膜的制备；
7)采用超声处理配制分散良好的CNT或石墨烯分散溶液；
8)将步骤5)制备好的纤维薄膜浸入CNT或石墨烯分散溶液，采用超声破碎仪进行超声处理，通过超声空化效应诱导导电颗粒CNT或石墨烯嵌入纳米纤维表面，得到压阻力敏结构层6；
9)将带有第一电极结构层1的第二基底层9、压电力敏结构层2、带有第二电极结构层3和第三电极结构层5的柔性绝缘层4、压阻力敏结构层6、带有第四电极结构层7的第一基底层8按层叠加在一起压紧，通过浇筑PDMS进行封装，得到复合式触觉压力传感器。
本发明的有益效果为：
超声诱导是利用超声空化效应产生气泡，空化气泡的破碎会推动纳米导电颗粒嵌入纳米纤维的表面；空化气泡在破碎的瞬间产生瞬时高温和高速的冲击波，瞬时高温可以导致在气泡附近的热塑性纳米纤维表面产生软化，而气泡破碎产生的冲击波可以推动导电纳米颗粒嵌入纤维内部，从而制备出表面包覆导电纳米颗粒且具有压阻效应的柔性纤维薄膜。
超声诱导嵌入CNT等导电颗粒的纳米纤维薄膜制备成压阻力敏结构层6，所制备的压阻力敏结构层6在压力作用下，纤维之间的间距改变形成一部分新的导电通路，同时纳米纤维也因为受力而发生变形影响间距较近的纳米颗粒之间隧道电流大小改变，从而引起纤维薄膜电阻值的改变，通过测量纤维薄膜电阻值的大小变化可以实现外部所施加压力的大小测量。
压电力敏结构层2用来进行动态力学信号的监测，对测试环境中的高频动态力变化量进行测量；压阻力敏结构层6主要用来监测静态力学信号，同时可以对一些迟滞、蠕变影响较小的低频动态力学信号进行测量。
本发明复合式触觉传感器采用PDMS进行封装制备保证传感器具有良好的柔性，同时PDMS作为绝缘材料可以实现电学信号的隔离，第一电极结构层1、压电力敏结构层2、第二电极结构层3组成的压电式触觉传感器；第三电极结构层5、压阻力敏结构层6、第四电极结构层7组成压阻式触觉传感器；压电式触觉传感器、压阻式触觉传感器采用PDMS进行粘接组合在一起，外部采用PDMS封装保护传感器的内部结构。本发明复合式触觉传感器同时具备压阻式和压电式感知机理，可以实现多模态力学参量的测量，避免单一测量机理时由于传感器敏感机理引起的测量缺陷，例如采用压阻式触觉传感器在进行动态测量时存在迟滞、蠕变等，导致测量误差较大；压电式触觉传感器只能进行动态力学参量的测量，不能进行静态力学参量的测量。
附图说明
图1为本发明传感器的结构示意图。
图2为封装好的传感器的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
如图1所示，一种压电压阻复合式触觉传感器，包括第一电极结构层1，第一电极结构层1的下方设有压电力敏结构层2，压电力敏结构层2的下方设有第二电极结构层3，第二电极结构层3的下方设有柔性绝缘层4，柔性绝缘层4的下方设有第三电极结构层5，第三电极结构层5的下方设有压阻力敏结构层6，压阻力敏结构层6的下方设有第四电极结构层7；压电力敏结构层2和压阻力敏结构层6分别实现对外部动态和静态触觉力学信号的感知。
压电力敏结构层2在外界压力作用下时，引起压电纤维薄膜发生应变，纤维薄膜在压电效应的作用下产生电荷，通过第一电极结构层1、第二电极结构层3测量由于压电效应产生的电荷，根据收集的电荷量实现作用压力的大小测量；压阻力敏结构层6在压力作用下纤维之间的间距改变形成一部分新的导电通路，同时纳米纤维也因为受力而发生变形影响间距较近的纳米颗粒之间隧道电流大小改变，从而引起纤维薄膜电阻值的改变，通过测量纤维薄膜电阻值的大小变化可以实现外部所施加压力的大小测量。
如图2所示，封装后的复合式触觉传感器在第一电极结构层1的上面设有第二基底层9，第四电极结构层7的下方设有第一基底层8，第一基底层8、第二基底层9分别为制备压阻式触觉传感器、压电式触觉传感器的基底层，第一基底层8、第二基底层9采用PDMS，采用PDMS进行封装，PDMS起到粘接压电式触觉传感器和压阻式触觉传感器，PDMS作为绝缘性材料减少传感器之间的信号干扰，同时起到保护传感器内部结构的作用。
一种压电压阻复合式触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)柔性绝缘层4、第一基底层8、第二基底层9采用PDMS制备，基本组分和固化剂按照10:1的比例进行配比，混合均匀后经真空操作除去PDMS中的气泡，旋涂制备厚薄均匀的PDMS薄膜，在70℃下加热固化，剥离得到基底层；
2)采用氧等离子体对第一基底层8、第二基底层9表面进行亲水处理，采用剥离工艺分别在第一基底层8上表面、第二基底层9下表面上溅射100nm厚的铜作为第四电极结构层7、第一电极结构层1；
3)压电力敏结构层2采用有机聚合物PVDF或PVDF共聚物进行制备，压电材料PVDF或PVDF共聚物采用二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮的混合溶剂作为溶剂，配制静电纺丝用溶剂，加入丙酮调节溶剂的挥发性，DMF与丙酮按照体积比3：2的比例混合，PVDF根据分子量的不同选取不同的质量/体积比，溶液的质量/体积比一般选在14％～20％之间；
制备压电力敏结构层2的PVDF纤维薄膜静电纺丝参数设置为：溶液进给量为5～15μL/min，纺丝针头与接收极板之间间距为10～20cm，在针头部分加载电压为9～15kV，接收极板接地；PVDF压电纤维膜厚度与静电纺丝的时间正相关，根据压电式触觉传感器性能的要求，静电纺丝制备PVDF压电纤维膜控制在1～3h之间；
4)采用PDMS基底层作为柔性绝缘层4，在柔性绝缘层4上下分别通过溅射工艺制备第二电极层结构3、第三电极层结构5；
5)压阻力敏结构层6采用热塑性高分子聚合物PU或PS通过静电纺丝工艺进行制备，本实施例采用PU，并采用DMF与丙酮混合作为溶剂，DMF和丙酮按1:1配比，根据PU分子质量的不同，配制质量/体积为20％～30％的溶液进行PU纤维薄膜的制备；
制备PU纤维薄膜时静电纺丝的参数设置为：溶液进给量为5～20μL/min，正负极极板之间的间距为10～15cm，两端加载电压为9～15kV；PU纤维膜厚度与静电纺丝的时间正相关，根据压电式触觉传感器性能的要求，静电纺丝制备PU纤维膜薄膜时间控制在1～3h之间；
6)采用超声处理配制分散良好的CNT或石墨烯分散溶液，本实施例以CNT作说明，按照1/1000～1/100的质量比称取CNT和去离子水，根据CNT的质量加入十二烷基硫酸钠(SDS)，采用多壁CNT时，CNT与SDS的质量比按1:2进行配置，在300W的功率下超声100mL的分散液3h，得到分散良好的CNT分散溶液；
7)将步骤5)制备好的PU纤维薄膜浸入CNT分散溶液中采用超声破碎仪进行超声处理，100mL的分散溶液采用350W的超声功率处理0.5～2h，通过超声空化效应诱导导电颗粒CNT嵌入PU纳米纤维表面，将超声处理得到的复合纤维薄膜在去离子水中反复清洗多次，在60℃的烘箱中烘干得到压阻力敏结构层6；
8)将带有第一电极结构层1的第二基底层9、压电力敏结构层2、带有第二电极结构层3和第三电极结构层5的柔性绝缘层4、压阻力敏结构层6、带有第四电极结构层7的第一基底层8按层叠加在一起压紧，通过浇筑PDMS进行封装，PDMS基本组分和固化剂按照10:1的配比，真空处理除去气泡，在70℃的烘箱中固化4h得到复合式触觉压力传感器，其截面如图2所示。
Claims (1)
1.一种压电压阻复合式触觉传感器的制备方法，其特征在于，该压电压阻复合式触觉传感器包括第一电极结构层(1)，第一电极结构层(1)的下方设有压电力敏结构层(2)，压电力敏结构层(2)的下方设有第二电极结构层(3)，第二电极结构层(3)的下方设有柔性绝缘层(4)，柔性绝缘层(4)的下方设有第三电极结构层(5)，第三电极结构层(5)的下方设有压阻力敏结构层(6)，压阻力敏结构层(6)的下方设有第四电极结构层(7)；压电力敏结构层(2)和压阻力敏结构层(6)分别实现对外部动态和静态触觉力学信号的感知；
封装后的复合式触觉传感器在第一电极结构层(1)的上面设有第二基底层(9)，第四电极结构层(7)的下方设有第一基底层(8)，第一基底层(8)、第二基底层(9)分别为制备压阻式触觉传感器、压电式触觉传感器的基底层；
该压电压阻复合式触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)柔性绝缘层(4)、第一基底层(8)、第二基底层(9)采用PDMS制备，基本组分和固化剂按照10:1的比例进行配比，混合均匀后经真空操作除去PDMS中的气泡，旋涂制备厚薄均匀的PDMS薄膜，在70℃下加热固化，剥离得到基底层；
2)采用氧等离子体对第一基底层(8)、第二基底层(9)表面进行亲水处理，采用剥离工艺分别在第一基底层(8)上表面、第二基底层(9)下表面上溅射100nm厚的铜作为第四电极结构层(7)、第一电极结构层(1)；
3)压电力敏结构层(2)采用有机聚合物PVDF或PVDF共聚物进行制备，压电材料PVDF或PVDF共聚物采用二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂作为溶剂，配制静电纺丝用溶剂，加入丙酮调节溶剂的挥发性，DMF与丙酮按照体积比3：2的比例混合，PVDF根据分子量的不同选取不同的质量比，溶液的质量比选在14％～20％之间；
制备压电力敏结构层(2)的PVDF纤维薄膜静电纺丝参数设置为：溶液进给量为5～15μL/min，纺丝针头与接收极板之间间距为10～20cm，在针头部分加载电压为9～15k V，接收极板接地；PVDF压电纤维膜厚度与静电纺丝的时间正相关，根据压电式触觉传感器性能的要求，静电纺丝制备PVDF压电纤维膜控制在1～3h之间；
4)采用PDMS基底层作为柔性绝缘层(4)，在柔性绝缘层(4)上下分别通过溅射工艺制备第二电极结构层(3)、第三电极结构层(5)；
5)压阻力敏结构层(6)采用热塑性高分子聚合物PU通过静电纺丝工艺进行制备，采用DMF与丙酮混合作为溶剂，DMF和丙酮按1:1配比，根据PU分子质量的不同，配制质量比为20％～30％的溶液进行PU纤维薄膜的制备；
制备PU纤维薄膜时静电纺丝的参数设置为：溶液进给量为5～20μL/min，正负极极板之间的间距为10～15cm，两端加载电压为9～15kV；PU纤维膜厚度与静电纺丝的时间正相关，根据压电式触觉传感器性能的要求，静电纺丝制备PU纤维膜薄膜时间控制在1～3h之间；
6)采用超声处理配制分散良好的CNT；按照1/1000～1/100的质量比称取CNT和去离子水，根据CNT的质量加入十二烷基硫酸钠，采用多壁CNT时，CNT与SDS的质量比按1:2进行配置，在300W的功率下超声100mL的分散液3h，得到分散良好的CNT分散溶液；
7)将步骤5)制备好的PU纤维薄膜浸入CNT分散溶液中采用超声破碎仪进行超声处理，100m L的分散溶液采用350W的超声功率处理0.5～2h，通过超声空化效应诱导导电颗粒CNT嵌入PU纳米纤维表面，将超声处理得到的复合纤维薄膜在去离子水中反复清洗多次，在60℃的烘箱中烘干得到压阻力敏结构层(6)；
8)将带有第一电极结构层(1)的第二基底层(9)、压电力敏结构层(2)、带有第二电极结构层(3)和第三电极结构层(5)的柔性绝缘层(4)、压阻力敏结构层(6)、带有第四电极结构层(7)的第一基底层(8)按层叠加在一起压紧，通过浇筑PDMS进行封装，PDMS基本组分和固化剂按照10:1的配比，真空处理除去气泡，在70℃的烘箱中固化4h得到复合式触觉压力传感器。
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