CN112577642A

CN112577642A - 一种精准定位受力、灵敏度可调的柔性触觉传感器

Info

Publication number: CN112577642A
Application number: CN202011421329.7A
Authority: CN
Inventors: 董林玺; 吴宣邑; 杨伟煌; 刘超然
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2040-12-08
Also published as: CN112577642B

Abstract

本发明公开了一种精准定位受力、灵敏度可调的柔性触觉传感器。本发明包括PDMS柔性衬底、石墨烯电极、PDMS微结构介电层。结构上分为上中下层，上层是PDMS与图案化石墨烯电极混合层，中层是由浇筑于微结构硅模具中成型的PDMS微结构介电层，下层的结构、材料与上层相同，空间上是由上层翻转后水平面旋转90°。本发明主要采用PDMS材料和石墨烯材料构成，在衬底与电介质材料上统一选用PDMS材料可最大程度上保证传感器的柔性弯曲与拉伸特性，可安装在具有不同弧度的机械手上，又基于其可实现精准受力定位的特点，可安装在鞋垫等通过受力区域捕捉、分析人体生理信号的位置。

Description

一种精准定位受力、灵敏度可调的柔性触觉传感器

技术领域

本发明涉及柔性触觉传感器领域，涉及一种精准定位受力、灵敏度可调的柔性触觉传感器；该传感器以石墨烯作电极、柔性材料作衬底，对介电层凸台排列创新从而达到高灵敏度且可排除监测区域外受力影响。

背景技术

当今社会信息技术日新月异。互联网，云计算，大数据，人工智能等新技术充斥到社会各个角落。工业生产和日常生活中的智能机器人、家用电器、自动售货机、手机、电脑以及各类传媒载体纷纷开始了“触觉革命”。触觉是生物体表由于压力与牵引力作用于感受器而引起的，它是生物体从外界环境获得信息的重要手段之一。

触觉信息的需求催生了传感技术。柔性触觉传感器是一种将触觉信号转换电信号的电子器件，在可穿戴电子设备、健康监测、运动监测、软体机器人、人机交互、以及人工智能等领域有着巨大的应用前景。科学家们已经证明微结构能有效提高柔性电容式触觉传感器的性能，例如微金字塔结构已经被用于制备超灵敏的柔性触觉传感器。然而这些微结构通常通过传统的光刻技术、化学刻蚀方法，其制备过程复杂、耗时、价格昂贵。制备低成本、简易、高性能的柔性触觉传感器成为当前的一大挑战。

开发灵敏、灵活、透明的触觉传感器是下一代柔性显示器和人机界面的研究热点。尽管以前已经开发了一些材料和结构设计用于高性能触觉传感器，但实现灵活性、完全透明性和无串扰的高灵敏度多点识别仍然是此类系统面临的重大挑战。

与电阻式触觉传感机构相比，电容式触觉传感器具有温度无关性、功耗低、长期信号漂移稳定性好、易于多点识别等优点。一般而言，电容式传感器的结构由两个平行电极组成，其间有一层介质层。高度可压缩的介质材料是获得高灵敏度所必需的，介质的杨氏模量越低，在压力作用下传感器的变形越大，导致电容的变化越大。因此，人们致力于使用低杨氏模量的弹性体作为介质材料，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯或Ecoflex。然而，这些低模量弹性体也倾向于具有高粘弹性，减缓它们的响应和松弛时间。为了克服这一限制，进一步提高灵敏度，一些触觉传感器采用通过有序地制造微结构表面来构造介质层。微结构介质层与普通介质层相比，在等压力下允许更大的变形，从而导致更高的灵敏度和更快的响应/弛豫时间。然而，这种介质设计具有固有的缺点，例如复杂的制造、相邻单元之间的串扰和透明度恶化。这些缺点可以通过在每个触觉单元中的周围间隔物之间用空气间隙替换介质层来改善。现有电容式传感器的另一个限制因素是，它们中的大多数仍然依赖不透明或脆性材料作为电极，从而阻碍了它们向真正灵活和透明的触觉传感器的应用。基板和电极调节整个电容式触觉传感器的灵活性和透明度，突出了仔细选择电极材料的重要性。在触觉传感器电极的各种候选材料中，单层石墨烯在需要柔韧性和透明性时是一种很有前途的材料。由于石墨烯具有高断裂应变(>20%)和高透过率(≈97.5%)，到目前为止，许多基于石墨烯的触觉传感器都已被报道，但大多数都是利用石墨烯作为压阻式或电阻式传感元件。虽然以前的工作已经显示出高性能，具有足够的灵活性和透明度，但这些器件仍然存在传统压阻式和电阻式触觉传感器的局限性。因此，开发一种既能克服现有设备的局限性又能提供更好性能的触觉传感器是非常必要的。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的问题，本发明采用以下技术方案：

本发明包含多个传感单元，所述多个传感单元可以M行*N列的方式排列，也可将最小传感单元分布在需要检测力的敏感区域从而实现精准捕捉区域受力。每个所述传感单元包括上中下三层结构。上层结构包括作为衬底的PDMS薄膜和作为电极的二维石墨烯，中层结构为作为绝缘体的PDMS微结构介电层，下层的结构、材料与上层相同，空间上是由上层翻转后水平面旋转90°，在器件的俯视图上形成互相垂直的两条电极，中心圆形区域为电容单元。

作为优选，使用CVD法制作二维石墨烯作为电极，再将图案化的石墨烯电极转移至PDMS柔性衬底，从而实现石墨烯/PDMS薄膜。

作为优选，所述的PDMS柔性衬底及微结构介电层的制备方法，包括以下步骤：

(a)将Sylgard 184 PDMS和固化剂以10:1的比例混合,充分搅拌；

(b)将PDMS混合溶液静置放入真空箱以去除溶液中的气泡；

(c)使用匀胶机将去除气泡后的PDMS混合溶液均匀的涂抹在载体上；

(d)将载体与均匀涂抹的PDMS混合溶液放置干燥箱；

(e)将载体与固化完成的PDMS分离。

作为优选，步骤(b)中真空箱温度不能超过室温，最好控制在25°以下。

作为优选，步骤(c)中匀胶机在慢速旋转环节时间不宜太短，60s-90s即可，使其有充分的时间为高速旋转做准备。

作为优选，载体上可预先喷涂干性氟素脱模剂，使得后面操作中更易脱模。

作为优选，步骤(d)中的温度不适宜过低，会导致固化时间过久，也不适宜过高，会影响材料的韧性，70°-90°，一小时即可。

一种制作上述电容式柔性触觉传感器的方法，其特征在于，包括有以下步骤：

（1）制备石墨烯电极；

（2）石墨烯电极至PDMS柔性衬底；

（3）PDMS混合溶液；

（4）PDMS混合溶液真空脱泡；

（5）用PDMS混合溶液填充微结构硅模具；

（6）将从硅模具中脱模的PDMS介电层与两层石墨烯电极/PDMS混合薄膜贴合连接，可实现精准受力定位的高灵敏度电容式柔性触觉传感器。

本发明的有益效果：

1、多个传感单元以M行*N列的方式排列，可组成任意数量行、列组合的传感阵列，像素化传感器阵列成功地识别了任何施加压力的空间分布。

2、本发明通过调节介电层凸台的尺寸大小、排列密度、排列夹角，可以很容易地控制灵敏度和传感范围，由间隔物对每个单元的结构隔离防止了相邻单元之间的串扰，也防止了每个单元外受力对单元内的影响。

3、本发明中介电层凸台采用从检测单元（即上下石墨烯电极与介电层形成的电容部分）中心向外呈现放射状结构，凸台的间距随着距离检测单元中心越远而增大，让传感器中凸台之间的空隙部分更容易产生形变，这就使得检测单元外的支撑部分受力将沿着凸台架空的沟道引流至外侧，从而对检测单元内的影响降至忽略不计，实现精准受力定位。

4、本发明中主要采用PDMS材料和石墨烯材料，石墨烯具有高断裂应变(>20%)和高透过率(≈97.5%)，PDMS的杨氏模量在2Mpa左右，透光率大于92%。一方面保证了传感器的透明程度，另一方面也极大程度保证了弯曲与拉伸的柔性特征。

附图说明

图1是本发明的一个传感单元的拆分结构示意图。

图2是本发明的介电层四种硅模具图。

图3是本发明的一个由4*4传感单元组成的阵列传感器示意图。

图4是由图2中的6结构组成的传感器与图2中的7结构组成的传感器受力与电容变化曲线对比图。

图5是由图2中的6结构组成的传感器与图2中的8结构组成的传感器受力与电容变化曲线对比图。

图6是由图2中的6结构组成的传感器与图2中的9结构组成的传感器受力与电容变化曲线对比图。

附图标记说明：1-上层PDMS衬底；2-上层石墨烯电极；3-介电层；4-下层石墨烯电极；5-下层PDMS衬底；6-凸台直径70μm、凸台排列间距35μm、凸台排列夹角30°的介电层硅模具；7-凸台直径85μm、凸台排列间距20μm、凸台排列夹角30°的介电层硅模具；8-凸台直径70μm、凸台排列间距70μm、凸台排列夹角30°的介电层硅模具；9-凸台直径70μm、凸台排列间距35μm、凸台排列夹角22.5°的介电层硅模具；10-凸台直径；11-凸台排列间距；12-凸台排列夹角。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种可实现精准受力定位的灵敏度可调的电容式柔性触觉传感器，包括有多个以M行*N列排列的传感单元，每个传感单元包括有上层PDMS衬底1、上层石墨烯电极2、介电层3、下层石墨烯电极4、下层PDMS衬底5。

所述的介电层的凸台支撑的是传感单元电极以外的部分，使得检测单元（即上下石墨烯电极与介电层形成的电容部分）受力后更容易产生形变。该结构同时也可以实现对检测单元外受力的卸载，检测单元外的力，因为放射状沟道的存在，将沿着凸台架空的沟道引流至外侧，所以对检测单元内的影响降至忽略不计，从而实现精准受力定位。

所述的介电层的凸台呈放射状排列，可有效的排除检测单位外受力对电容传感器输出信号的影响。在电容受力导致最大变化值不变的情况下，可以通过改变凸台的尺寸大小、排列密度、排列夹角来改变器件受力形变的情况，进而调整灵敏度的变化，使得传感器适用于更多的场合。

所述的传感器除了电极以外均由PDMS材料构成，高度可压缩的介质材料是获得高灵敏度所必需的；介质的杨氏模量越低，当压力施加到传感器时就会导致更大的变形，从而导致电容的更大变化。因此，使用具有低杨氏模量的PDMS材料。

实施例1

一种可实现精准受力定位的灵敏度可调的电容式柔性触觉传感器的制作方法，介电层凸台结构为：凸台直径70μm、凸台排列间距35μm、凸台排列夹角30°，包括如下步骤：

（1）首先制备石墨烯/PDMS薄膜；

把锗 (110)衬底放入炉中，通入氢气和氩气或者氮气保护加热至1000℃左右，稳定温度，保持20min左右；然后停止通入保护气体，改通入碳源（如甲烷）气体，大约30min，反应完成；切断电源，关闭甲烷气体，再通入保护气体排净甲烷气体，在保护气体的环境下直至管子冷却到室温，取出锗 (110)衬底，得到锗 (110)衬底上的石墨烯。经过ICP刻蚀得到载有图案化石墨烯的锗 (110)衬底。

在石墨烯表面旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为支撑层，然后浸入到适当的化学溶液中腐蚀锗基底，锗基底腐蚀完后，将石墨烯/PDMS薄膜捞至蒸馏水清洗干净。

同样以此法获得底层石墨烯/PDMS薄膜。

（2）然后制作PDMS介电层；

参照图2，制造介电层硅模具6的填充材料：

(a)将Sylgard 184 PDMS和固化剂以10:1的比例混合,充分搅拌；

(b)将PDMS混合溶液静置放入真空箱以去除溶液中的气泡；

(d)将载体与均匀涂抹的PDMS混合溶液放置干燥箱；

(e)将载体与固化完成的PDMS分离；

步骤(b)中去除填充材料中残留的微小气泡，使PDMS液态混合物充分填充。真空箱温度不能超过室温，控制在25°以下。

步骤(c)中匀胶机在慢速旋转环节时间保持在60s-90s，使其有充分的时间为高速旋转做准备。硅模具上可预先喷涂干性氟素脱模剂，使填充材料更容易从硅模具中脱离。

步骤(d)中的温度保持在85°，一小时。使填充凹槽的介电层的完全固化。

填充物固化后剥离模具，完成了介电层的制造。

（3）最后将底层石墨烯/PDMS薄膜放置对准平台上底部，将介电层置于对准平台顶部，通过对准平台缓慢降低介电层高度并控制其位置和角度，将其贴附到石墨烯/PDMS薄膜上并挤压掉中间的空气，使得石墨烯/PDMS和介电层完全贴附保持15min后，将样品保持不动。将顶部石墨烯/PDMS薄膜置于对准平台顶部，通过对准平台缓慢降低介电层高度并控制其位置和角度，将其贴附到石墨烯/PDMS/介电层上，不用挤压空气，保证接触即可。将样品放置加热台上，在70℃下加热20min后，得到电容式柔性触觉传感器。

实施例2

一种可实现精准受力定位的灵敏度可调的电容式柔性触觉传感器的制作方法，介电层凸台结构为：凸台直径85μm、凸台排列间距20μm、凸台排列夹角30°，包括如下步骤：

（1）首先制备石墨烯/PDMS薄膜；

同样以此法获得底层石墨烯/PDMS薄膜。

（2）然后制作PDMS介电层；

参照图2，制造介电层硅模具7的填充材料：

(a)将Sylgard 184 PDMS和固化剂以10:1的比例混合,充分搅拌；

(b)将PDMS混合溶液静置放入真空箱以去除溶液中的气泡；

(d)将载体与均匀涂抹的PDMS混合溶液放置干燥箱；

(e)将载体与固化完成的PDMS分离；

填充物固化后剥离模具，完成了介电层的制造。

参照图4，凸台直径的变大使得传感器在最大电容变化量不变的情况下，提升了工作范围。

实施例3

一种可实现精准受力定位的灵敏度可调的电容式柔性触觉传感器的制作方法，介电层凸台结构为：凸台直径70μm、凸台排列间距70μm、凸台排列夹角30°，包括如下步骤：

（1）首先制备石墨烯/PDMS薄膜；

同样以此法获得底层石墨烯/PDMS薄膜。

（2）然后制作PDMS介电层；

参照图2，制造介电层硅模具8的填充材料：

(a)将Sylgard 184 PDMS和固化剂以10:1的比例混合,充分搅拌；

(b)将PDMS混合溶液静置放入真空箱以去除溶液中的气泡；

(d)将载体与均匀涂抹的PDMS混合溶液放置干燥箱；

(e)将载体与固化完成的PDMS分离；

填充物固化后剥离模具，完成了介电层的制造。

参照图5，凸台排列密度的变小使得传感器在最大电容变化量不变的情况下，提升了灵敏度。

实施例4

一种可实现精准受力定位的灵敏度可调的电容式柔性触觉传感器的制作方法，介电层凸台结构为：凸台直径70μm、凸台排列间距35μm、凸台排列夹角22.5°，包括如下步骤：

（1）首先制备石墨烯/PDMS薄膜；

同样以此法获得底层石墨烯/PDMS薄膜。

（2）然后制作PDMS介电层；

参照图2，制造介电层硅模具9的填充材料：

(a)将Sylgard 184 PDMS和固化剂以10:1的比例混合,充分搅拌；

(b)将PDMS混合溶液静置放入真空箱以去除溶液中的气泡；

(d)将载体与均匀涂抹的PDMS混合溶液放置干燥箱；

(e)将载体与固化完成的PDMS分离；

填充物固化后剥离模具，完成了介电层的制造。

参照图6，凸台排列角度的变小使得传感器在最大电容变化量不变的情况下，提升了工作范围。

本发明的工作过程：结合图1与图3，当有力作用在传感器上时，传感单元的电极部分会受力下榻，导致电容极板间距向下从而使电容值变大，而此时作用在传感单元电极部分之外的力会被放射状凸台的夹角镂空部分引流出去而使得电极部分外部受力对电极部分形变没有影响，也使得传感单元之间不存在串扰的情况。有放射状凸台的存在不仅仅可以使得该传感器拥有高灵敏度的特点，还在保证其高灵敏度的同时保证较大的工作范围，不会因为受力过大导致传感器测量达到饱和。

综上，该传感器灵活、完全透明、灵敏度高、可实现精准受理定位。通过调节传感器的结构尺寸，可以很容易地控制灵敏度和传感范围。由间隔物对每个单元的结构隔离防止了相邻单元之间的串扰。放射状的凸台可以有效的分解检测单元（即上下石墨烯电极与介电层形成的电容部分）外的受力，并将其以造成凸台间隙结构的塌陷的形式最大程度地分解。因此，像素化传感器阵列成功地识别了任何施加压力的空间分布，触觉传感器将为便携式/穿戴设备、大规模触摸屏和人体生理信号检测提供机会。

Claims

1.一种精准定位受力、灵敏度可调的电容式柔性触觉传感器，包含多个传感单元，每个传感单元采用上中下三层结构，其特征在于：

上层结构包括作为衬底的PDMS薄膜和作为电极的二维石墨烯；

中层结构为作为绝缘体的PDMS微结构介电层；

下层的结构、材料与上层相同，空间上是由上层结构翻转后水平面旋转90°，与上层结构共同形成互相垂直的两条电极，两条电极的中心圆形区域为电容单元；

上层结构中的石墨烯电极与下层结构中的石墨烯电极组成电容的上下极板，电极之间由介电层的凸台作为支撑，在极板之间形成空气介质。

2.根据权利要求1所述的电容式柔性触觉传感器，其特征在于：所述的介电层的凸台呈放射状排列，通过改变凸台的尺寸大小、排列密度、排列夹角来改变器件受力形变的情况，进而调整灵敏度的变化，使得传感器适用于更多的场合。

3.根据权利要求1所述的电容式柔性触觉传感器，其特征在于：

所述的介电层的凸台支使得电容单元受力后更容易产生形变，同时也实现对电容单元外受力的卸载，从而实现精准受力定位。