CN112747844B - 一种三明治结构触觉传感阵列制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三明治结构触觉传感阵列制备方法，属于触觉传感技术领域。本发明的方法，包括：用乙醇擦洗基底，在洁净的基底上粘上双面胶；使用激光在双面胶上直写预设的电极图案，去除相应区域的双面胶；将电极浆料均匀涂覆在去除双面胶后的区域，确保电极浆料厚度与基底上剩余双面胶厚度一致；将电极浆料加热固化，去除剩余双面胶的保护层，保留剩余双面胶的粘性层，得到带有双面胶粘性层的阵列化电极图案，作为上电极或下电极；将敏感层两面分别对准上电极和下电极，通过上电极或下电极上剩余双面胶粘性层贴合在一起。本发明具有充电效率高、抗干扰能力强、智能化，以及建设及维护成本低、损耗低、安全性能高等优点。
Description
技术领域
本发明属于触觉传感技术领域，具体涉及一种三明治结构触觉传感阵列制备方法。
背景技术
智能触觉传感器就像人的手一样至关重要，因为它不仅读取如位置、温度和形状等物理特征，也可以通过感觉硬度、压力来执行各种操作。触觉传感器并不单纯等同于压力传感器，它不仅可以读取压力信号，还应具备检测温度、导热能力、湿度等物理特征的能力，并且具有数据处理与传输的功能，能够对物体的形状、材质等物理属性做出相应判断。触觉传感器以信号传导的形式将生理活动信号转换为可视的电信号，从而实现触觉信息的快速精确传导。触觉传感器是柔性电子学、器件物理和材料学的交叉前沿研究领域，在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、柔性电子皮肤，甚至工业机器人等领域拥有很大的应用潜力，正朝着高柔弹性、宽量程的高灵敏度、多功能、自愈合与自清洁、自供电等方向发展。
力学触觉传感器的信息传导机制主要分为电阻、电容、压电、摩擦电四大类。电阻式传感器其传感因素主要受电极本身形变产生的电阻变化，和电极之间的接触电阻影响，。对于电容式传感器，可通过改变正对面积和平行板间距来探测不同的力。压电式传感器则是基于材料在外界机械压力作用下产生电压的能力来工作，具有较高的灵敏度和响应速度，可用于检测声音震动或脉搏跳动等动态压力。而摩擦电则是两种不同材料彼此摩擦时在表面上诱发的电荷。摩擦产生的电荷量取决于两种接触材料之间摩擦电极性的差异。
温度触觉传感器的原理主要有光纤传感器、热电偶传感器和热敏电阻传感器。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已知调制的光信号进行检测，从而得到被测量。热电传感器测温度的基本原理是当有两种不同的导体和半导体组成一个回路，其相互连接时，只要两结点处的温度不同，则回路中就有电流产生，即回路中存在的电动势称为热电动势。热敏电阻是敏感元件的一类，热敏电阻的电阻值会随着温度的变化而改变。
传统的微尺度单元阵列的三明治触觉传感器往往先采用光刻，然后磁控或蒸镀的方法，费时费力，光刻胶等还容易造成污染。。
发明内容
本发明目的是提供一种三明治结构触觉传感阵列制备方法，具有充电效率高、抗干扰能力强、智能化，以及建设及维护成本低、损耗低、安全性能高等优点。
具体地说，本发明提供了一种三明治结构触觉传感阵列制备方法，所述三明治结构触觉传感阵列依次包括上电极、敏感极和下电极，所述三明治结构触觉传感阵列制备方法包括：
用乙醇擦洗基底，在洁净的基底上粘上双面胶；
使用激光在所述双面胶上直写预设的电极图案，去除相应区域的双面胶；
将电极浆料均匀涂覆在所述去除双面胶后的区域，确保电极浆料厚度与基底上剩余双面胶厚度一致；
将所述电极浆料加热固化，去除所述剩余双面胶的保护层，保留剩余双面胶的粘性层，得到带有双面胶粘性层的阵列化电极图案，作为所述上电极或下电极；
将所述敏感层两面分别对准所述上电极和下电极，通过上电极或下电极上所述剩余双面胶粘性层贴合在一起。
进一步的，所述基底可以是柔性高分子、陶瓷、不锈钢、硅片、石英或玻璃。
进一步的，所述激光的脉冲宽度是200fs～20ps，光斑直径是10μm～50μm，激光的功率是≤500mW，激光的扫描速度是100mm/s～500mm/s，激光加工次数是10次～800次。
进一步的，所述双面胶是PI、PE或PET，厚度≤100μm。
进一步的，所述将电极浆料均匀涂覆在所述去除双面胶后的区域，确保电极浆料厚度与基底上剩余双面胶厚度一致采用丝网印刷、喷墨打印、喷涂或刮刀法实现。
进一步的，所述电极浆料为导电金属浆料、导电碳浆或导电聚合物。
进一步的，所述加热固化的温度为60℃～150℃。
进一步的，所述阵列化电极图案的线宽≥50μm，线间距≥50μm。
进一步的，所述敏感层采用压阻材料、压电材料、电容材料、热阻材料或热电材料制成。
进一步的，敏感层由若干个独立传感单元组成。
本发明的三明治结构触觉传感阵列制备方法的有益效果如下：
本发明的三明治结构触觉传感阵列制备方法，无需复杂的传统制备工艺，并采用柔性印刷电子技术，实现电极的批量制备，这些将极大提高传感器微加工的效率。此外，引入双面胶的设计可以有效实现敏感层与上下电极层的有效结合，并且作为掩模版可以有效控制电极的线宽和线间距。
附图说明
图1是本发明实施例1的力学传感器的力学灵敏度测试结果图。
图2是本发明实施例2的力学传感器的不同压强下的电阻信号变化响应图。
图3是本发明实施例3的力学传感器测试的第一个对象的脉搏信号结果图。
图4是本发明实施例3的力学传感器测试的第二个对象的脉搏信号结果图。
图5是本发明实施例4的力学传感器的上下电极CAD模板图。
图6是本发明实施例5的热阻型碳基温度传感器温度随电阻变化的变化图。
图7是本发明实施例5的热阻型碳基温度传感器不同温度下电流电压变化图。
图8是本发明实施例6的热阻型NiO基温度传感器温度随电阻变化的变化图。
图9是本发明实施例6的热阻型NiO基温度传感器不同温度下电流电压变化图。
图10是本发明实施例7的温度传感器上下电极CAD模板图。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本发明的一个实施例，为一种三明治结构触觉传感阵列制备方法。包括：
裁剪半张A4大小的PET基底，并用酒精擦洗，在洁净的PET基底上贴100μm厚的双面PE胶带，往飞秒激光设备软件内导入预先画好的CAD图(8*8阵列)，实现双面PE胶带的图案化，这里激光器选用振镜模式，波长343nm，脉冲宽度是200fs，光斑直径是10μm，功率为500mW，加工速度为300mm/s，加工次数为350次，使用镊子去除100μm厚的双面PE胶带图案，然后用刮刀法刮涂Ag浆，刮涂过程中Ag浆要充分填满图案；确保最终Ag浆与双面PE最上层水平对齐；将喷涂好的电极置于60℃烘胶机上固化2h，然后再用镊子去除未撕掉的双面PE胶带上的保护层保留粘性层，得到带有PE胶的阵列化Ag电极图案(所制备的Ag电极线宽100μm，线间距50μm)，将其作为上下电极；最后将商用压阻型力敏薄膜velostat作为整体敏感层，对准放置于下电极，最后再次对准贴合上电极，得到基于压阻velostat力敏薄膜的8*8阵列式力学传感器。
压阻velostat力敏薄膜的8*8阵列式力学传感器的力学灵敏度测试结果如图1所示。
可以理解，基底可以是柔性高分子(PET、PI或PEN等)、陶瓷(Al2O3、AlN或SiC等)、不锈钢、硅片、石英或玻璃等中的任意一种。
实施例2：
割半张A4大小的AlN陶瓷基底，并用酒精擦洗，在洁净的AlN陶瓷基底上贴50μm厚的双面PI胶带，往飞秒激光设备软件内导入预先画好的CAD图(5*25)，实现双面PI胶带的图案化，这里激光器选用振镜模式，波长343nm，脉冲宽度是20ps，光斑直径是50μm，功率为200mW，加工速度为500mm/s，加工次数为800次，使用镊子去除50μm厚的双面PI胶带图案，然后用喷涂法喷涂导电Pt浆，喷涂过程中Pt浆要充分填满图案；确保最终Pt浆与双面PI最上层水平对齐；将喷涂好的电极置于150℃烘胶机上固化15min，然后再用镊子去除未撕掉的双面PI胶带上的保护层保留粘性层，得到带有PI胶的阵列化Pt电极图案(所制备的Pt电极线宽50μm，线间距100μm)，将其分别作为上下电极；最后将商用压阻型力敏薄膜velostat作为整体敏感层，对准放置于下电极，最后再次对准贴合上电极，得到基于压阻velostat力敏薄膜的5*25阵列式力学传感器。
压阻velostat力敏薄膜的5*25阵列式力学传感器的不同压强下的电阻信号变化响应图如图2所示。
实施例3：
切割半张A4大小的不锈钢基底，并用酒精擦洗，在洁净的不锈钢陶瓷基底上贴50μm厚的双面PET胶带，往飞秒激光设备软件内导入预先画好的CAD图(5*25)，实现双面PET胶带的图案化，这里激光器选用振镜模式，波长343nm，脉冲宽度是314fs，光斑直径是30μm，功率为100mW，加工速度为100mm/s，加工次数为10次，使用镊子去除50μm厚的双面PET胶带图案，然后用喷墨打印法制备导电碳浆，打印过程中碳浆要充分填满图案；确保最终导电碳浆与双面PET最上层水平对齐；将打印好的电极置于60℃烘胶机上固化60min，然后再用镊子去除未撕掉的双面PET胶带上的保护层保留粘性层，得到带有PET胶的阵列化导电碳电极图案(所制备的碳电极线宽600μm，线间距400μm)，将其作为上下电极；最后将商用压电型薄膜PVDF作为整体敏感层，对准放置于下电极，最后再次对准贴合上电极，并将其高压极化，得到基于压电PVDF力敏薄膜的8*8阵列式力学传感器。
压电PVDF力敏薄膜的8*8阵列式力学传感器测试的两个对象的脉搏信号结果分别如图3、图4所示。
实施例4：
切割半张A4大小的玻璃基底，并用酒精擦洗，在洁净的玻璃基底上贴20μm厚的双面PI胶带，往飞秒激光设备软件内导入预先画好的CAD图(8*8)，实现双面PI胶带的图案化，这里激光器选用振镜模式，波长343nm，脉冲宽度是200fs，光斑直径是10μm，功率为50mW，加工速度为100mm/s，加工次数为500次，使用镊子去除20μm厚的双面PI胶带图案，然后用丝网印刷法制备导电聚合物PEDOT：PSS浆料，打印过程中导电PEDOT：PSS要充分填满图案；确保最终导电碳浆与双面PI最上层水平对齐；将打印好的电极置于90℃烘胶机上固化60min，然后再用镊子去除未撕掉的双面PET胶带上的保护层保留粘性层，得到带有PET胶的阵列化导电PEDOT；PSS电极图案(所制备的PEDOT：PSS电极线宽100μm，线间距60μm)，将其作为上下电极；最后将模版法制备的微圆顶阵列PDMS作为整体敏感层，对准放置于下电极，最后再次对准贴合上电极，得到基于电容性微圆顶阵列PDMS力敏薄膜的8*8阵列式力学传感器。
导入的上下电极CAD模板图如图5所示。
实施例5：
裁剪半张A4大小的石英基底，并用酒精擦洗，在洁净的石英基底上贴100μm厚的双面PI胶带，往飞秒激光设备软件内导入预先画好的CAD图(8*8)，实现双面PI胶带的图案化，这里激光器选用振镜模式，波长343nm，脉宽340fs，功率为500mW，加工速度为500mm/s，加工次数为800次，使用镊子去除100μm厚的双面PI胶带图案，然后用喷涂法喷涂Ag浆，喷涂过程中Ag浆要充分填满图案；确保最终Ag浆与双面PI最上层水平对齐；将喷涂好的电极置于150℃烘胶机上固化15min，然后再用镊子去除未撕掉的双面PI胶带上的保护层保留粘性层，得到带有PI胶的阵列化Ag电极图案(所制备的Ag电极线宽50μm，线间距50μm)，将其作为上下电极，使用飞秒激光切割温敏掩模板，波长343nm，脉宽340fs，功率0.4w，加工速度为400mm/s，加工次数为500次。然后将商用热阻型PTC温敏碳浆(CI-2068)刮刀法刮涂于温敏掩模板上作为独立的温度传感单元，然后60℃干燥1h，去除温敏掩模板，然后将上电极与其对准制备得到基于热阻型温敏碳浆的8*8阵列式温度传感器。
8*8阵列式热阻型碳基温度传感器温度随电阻变化的变化如图6所示，不同温度下电流电压变化如图7所示。
实施例6：
裁剪半张A4大小的硅片基底，并用酒精擦洗，在洁净的硅片基底上贴100μm厚的双面PET胶带，往飞秒激光设备软件内导入预先画好的CAD图(8*8)，实现双面PET胶带的图案化，这里激光器选用振镜模式，波长343nm，脉宽200fs，功率为500mW，加工速度为100mm/s，加工次数为500次，使用镊子去除100μm厚的双面PET胶带图案，然后用刮涂法刮涂Cu浆，喷涂过程中Cu浆要充分填满图案；确保最终Cu浆与双面PET最上层水平对齐；将喷涂好的电极置于150℃烘胶机上固化30min，然后再用镊子去除未撕掉的双面PET胶带上的保护层保留粘性层，得到带有PET胶的阵列化Cu电极图案(所制备的Ag电极线宽200μm，线间距100μm)，将其作为上下电极，使用飞秒激光切割温敏掩模板，波长343nm，脉宽340fs，功率0.4w，加工速度为400mm/s，加工次数为500次。然后将热阻型NiO浆料刮刀法刮涂于温敏掩模板上作为独立的温度传感单元，然后100℃干燥1h，去除温敏掩模板，然后将上电极与其对准制备得到基于热阻型NiO基的8*8阵列式温度传感器。
8*8阵列式热阻型NiO基温度传感器温度随电阻变化的变化如图8所示，不同温度下电流电压变化如图9所示。
实施例7：
裁剪半张A4大小的Al2O3陶瓷基底，并用酒精擦洗，在洁净的Al2O3陶瓷基底上贴10μm厚的双面PI胶带，往飞秒激光设备软件内导入预先画好的CAD图(8*8)，实现双面PI胶带的图案化，这里激光器选用振镜模式，波长343nm，脉宽500fs，功率为100mW，加工速度为100mm/s，加工次数为100次，使用镊子去除10μm厚的双面PET胶带图案，然后用刮涂法刮涂导电碳浆，喷涂过程中碳浆要充分填满图案；确保最终碳浆与双面PET最上层水平对齐；将喷涂好的电极置于60℃烘胶机上固化30min，然后再用镊子去除未撕掉的双面PI胶带上的保护层保留粘性层，得到带有PI胶的阵列化Cu电极图案(所制备的碳电极线宽600μm，线间距400μm)，将其作为上下电极，使用飞秒激光切割温敏掩模板，波长343nm，脉宽340fs，功率0.4w，加工速度为400mm/s，加工次数为500次。然后将热电型石墨烯浆料喷涂法喷涂于温敏掩模板上作为独立的温度传感单元，然后60℃干燥1h，去除温敏掩模板，然后将上电极与其对准制备得到基于热电型石墨烯基的8*8阵列式温度传感器。
导入的上下电极CAD模板图如图10所示。
本发明的基于激光直写图案化技术的三明治结构触觉传感阵列制备方法，无需复杂的传统制备工艺，并采用柔性印刷电子技术，实现电极的批量制备，这些将极大提高传感器微加工的效率。此外，引入双面胶的设计可以有效实现敏感层与上下电极层的有效结合，并且作为掩模版可以有效控制电极的线宽和线间距。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (10)
1.一种三明治结构触觉传感阵列制备方法，其特征在于，所述三明治结构触觉传感阵列依次包括上电极、敏感极和下电极，所述三明治结构触觉传感阵列制备方法包括：
用乙醇擦洗基底，在洁净的基底上粘上双面胶；
使用激光在所述双面胶上直写预设的电极图案，去除相应区域的双面胶；
将电极浆料均匀涂覆在所述去除双面胶后的区域，确保电极浆料厚度与基底上剩余双面胶厚度一致；
将所述电极浆料加热固化，去除所述剩余双面胶的保护层，保留剩余双面胶的粘性层，得到带有双面胶粘性层的阵列化电极图案，作为所述上电极或下电极；
将所述敏感层两面分别对准所述上电极和下电极，通过上电极或下电极上所述剩余双面胶粘性层贴合在一起。
2.根据权利要求1所述的三明治结构触觉传感阵列制备方法，其特征在于，所述基底是柔性高分子、陶瓷、不锈钢、硅片、石英或玻璃。
3.根据权利要求1所述的三明治结构触觉传感阵列制备方法，其特征在于，所述激光的脉冲宽度是200fs～20ps，光斑直径是10μm～50μm，激光的功率是≤500mW，激光的扫描速度是100mm/s～500mm/s，激光加工次数是10次～800次。
4.根据权利要求1所述的三明治结构触觉传感阵列制备方法，其特征在于，所述双面胶是PI、PE或PET，厚度≤100μm。
5.根据权利要求1所述的三明治结构触觉传感阵列制备方法，其特征在于，所述将电极浆料均匀涂覆在所述去除双面胶后的区域，确保电极浆料厚度与基底上剩余双面胶厚度一致采用丝网印刷、喷墨打印、喷涂或刮刀法实现。
6.根据权利要求1所述的三明治结构触觉传感阵列制备方法，其特征在于，所述电极浆料为导电金属浆料、导电碳浆或导电聚合物。
7.根据权利要求1所述的三明治结构触觉传感阵列制备方法，其特征在于，所述加热固化的温度为60℃～150℃。
8.如权利要求1所述的三明治结构触觉传感阵列制备方法，其特征在于，所述阵列化电极图案的线宽≥50μm，线间距≥50μm。
9.如权利要求1所述的三明治结构触觉传感阵列制备方法，其特征在于，所述敏感层采用压阻材料、压电材料、电容材料、热阻材料或热电材料制成。
10.如权利要求1所述的三明治结构触觉传感阵列制备方法，其特征在于，敏感层由若干个独立传感单元组成。
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