CN112798154A - 柔性透气的触觉传感器及使用触觉传感器的感测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器领域，公开了一种柔性透气的触觉传感器及使用传感器的感测方法。本发明基于摩擦起电效应，利用器件与外界物体摩擦产生的静电荷，对电路中的电极感应出强静电势。当两种处于不同电势下的电极连接到外电路时，有明显的电流产生。该触觉传感器包括：柔性透气性薄膜材料，具有一定的柔性和拉伸性，可以轻柔的附着在皮肤上；负性摩擦材料，能够在触觉接触时与对外接触的物体摩擦起电；柔性电极材料，具有一定的电阻率和弹性性能；电路与监测装置，用于接受所检测到的电信号并通过信号反馈目标的相关信息。本发明所述的触觉传感器及感测方法，基于自然界中普遍存在的摩擦起电现象，在产生传感信号时无需外接电源供电。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，特别是涉及一种柔性透气的自驱动传感器设计， 以及使用触觉传感器的感测方法。
背景技术
随着社会的发展，触觉传感器已经在医疗、工业、军事、通讯、航空航天 等领域具有广泛的应用和迫切的需求，但是绝大多数的电子器件与外界环境缺 乏一种直接有效的交互作用机制。现有的触觉传感器中，包括压阻式、光电式 和电容式等，这些传感器需要外接电源提供工作时需要的电能，在一定程度上 制约了这些传感器的发展与应用。尤其传统的固态器件难以适应柔软和透气的 情形，在可穿戴设备和健康检测领域遇到了难以突破的瓶颈。因此，需要开发 一种人体舒适和能适应复杂使用环境的触觉传感器。而本发明触觉传感器本身 作为具有摩擦特性，能够与外部材料摩擦起电产生静电势，自身能够驱动电学 信号的产生，还可以轻柔地附着在皮肤上以进行运动能量收集和自供电生物力 学监测。该触觉传感器结构简单、透气，在医疗健康、人机交互、物联网等领 域内有广阔的应用空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种透明透气的触觉传感器及使用触觉传感器的感测 方法，该传感器集成了透气、柔性、可拉伸、轻巧和易于加工制备等优点。其 包括：柔性透气基底，比如热塑性聚氨酯等弹性材料，作为承载传感器的基底， 能够承受一定程度的弯折和拉伸形变；柔性可拉伸电极，比如碳纳米管等导电 材料，可以同时作为感应电极和传导电路；摩擦层，比如聚偏二氟乙烯等，可 以与外界接触摩擦起电；检测与信号处理装置，用于接受所检测到的电信号并 通过信号反馈目标的相关信息。
本发明还提供一种可拉伸触觉传感器的制作方法，其中，该方法包括：以静 电纺丝等方式制作的透气性纤维薄膜，丝网印刷制作的大面积导电电极和多层 膜复合压缩封装的制作工艺。
本发明还提供一种可拉伸触觉传感器的感测方法，其中，该方法包括：在拉 伸条件下监测传感器接触信号，传感器感知接触物体的形变程度和在破损情况 下传感器的工作方式。
通过上述技术方案，所述触觉传感器的摩擦层与外界摩擦的过程中产生静 电荷。通过静电感应效应，摩擦起电的电荷在柔性电极中感应出静电势和在外 电路中产生转移电流。同时，由于弹性层的存在，传感器具有出色的拉伸性能， 以实现在不同变形条件下的应用。即使弹性形变导致外接物体与摩擦层的接触 位置发生了变化，也不影响本身的触觉信号，保持了传感器对外部压力的灵敏 度，具有对压力快速灵敏反应的能力。并且在切割或扭曲后，传感器的输出特 性几乎不会受到影响，这表明该器件具有优异的柔性和弹性。本发明使用的柔 性透气薄膜膜与皮肤接触更舒适，可以作为可穿戴电子产品的材料之一。本发 明所述的触觉传感器及感测方法，实现了自驱动工作，具有制备工艺简单、性 能优异、灵敏度高的优点，在主动式传感网络、人机交互技术和柔性电子学等 领域具有重要的应用价值。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面 的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明一种实施方式的触觉传感器的结构示意图；
图2是根据本发明一种实施方式的触觉传感器的运作原理示意图；
图3是根据本发明一种实施方式的触觉传感器实际测试结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。此处所描述的具体 实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供的基于柔性透气触觉传感器，包括透气柔性基底和柔性导电电 极，导电电极位于柔性基底的上下表面，典型的柔性基底为热塑性聚氨酯薄膜 (PU)，典型的柔性导电电极为碳纳米管(CNTs)，本发明的一种实例中，碳 纳米管在热塑性聚氨酯的上表面一层；包括摩擦起电层，典型的摩擦层是聚偏 二氟乙烯薄膜(PVDF)，根据本发明的一种实例，位于整个传感器的最上层， 当外界物体与摩擦层接触时，该层表面一个摩擦起电的微系统，产生的静电荷 在导电电极中感应出静电势并同时产生电流；检测信号处理装置，与所述检测 装置电连接，用于接受所检测到的电信号并反馈包含电信号在内的相关信息。
图1是根据本发明实施的一种透气柔性触觉传感器的结构示意图。如图1 所示，该触觉传感器包括：透气柔性基底和柔性导电电极，在图1所示为两层 结构，其包括依次层叠的第一层透气柔性基底①和第二层柔性导电电极④。具 体地，第一层透气柔性基底①的上侧表面设置有第二层柔性导电电极④，该层 第二层柔性导电电极④可以设计为图形电极和布线线路用于感应电荷和导通外 界装置。该触觉传感器还包括柔性基底和摩擦起电层，其中图1所示为两层结 构，其包括依次层叠的第一层透气柔性基底②和第二层摩擦起电层③。具体地， 第一层透气柔性基底②的上侧表面设置有第二层摩擦起电层③，该层第二层摩 擦起电层③可以设计为平面粗糙薄膜或者表面有大量规则突起的结构，以增强 与外界的接触摩擦效果。该触觉传感器还包括信号检测和处理装置⑤，信号检 测和处理装置能够接受从柔性导电层④输出的电学信号，并反馈出相应的信息。
摩擦起电层③与外界物体互相摩擦，摩擦起电层③与外摩擦材料具有摩擦 电极序差异，从而使得二者在发生接触摩擦的过程中能够摩擦起电。本发明中 的一种实例中，因为PVDF带有非常高的电负性，在摩擦过程中很容易得到电 子而带有大量的负电荷，这种负电荷在PVDF表面能够较长时间保持。同时摩 擦产生的静电荷容易在柔性导电电极④中感应出正电荷。在触觉感知接触外界 物体时，接触或者机械位移导致静电势的变化，在柔性导电电极④感应出的电 势也会发生变化，进一步在外电路产生电流。
本发明的一种实例中，附有透气柔性基底①②。透气柔性基底①②能够根 据外界施加的应力产生弹性形变改变器件的形状或者面积，适合贴附于复杂的 曲面。本发明的一种实例是TPU薄膜，具有且不限于0.01～0.5mm的厚度，且 表面能够牢固粘附摩擦起电层③和柔性导电电极④。
本发明的一种实例中，附有摩擦起电层③。摩擦起电层③能够根据接触物 体的材料种类和接触力大小产生摩擦起电而产生静电荷电场，静电荷能够保持 一段时间。接触前后的过程中，摩擦起电层③能在柔性导电电极④中感应出对 应的静电荷。本发明的一种实例是PVDF薄膜，具有且不限于0.01～0.5mm的厚 度，且表面能够牢固粘附在透气柔性基底②。
本发明的一种实例中，附有柔性导电电极④。柔性导电电极④能够根据传 感器件的应变同步产生形变，在较大的形变下仍然能保持导电性能并受到摩擦 起电层③中静电荷感应出信号。本发明的一种实例是碳纳米管，通过丝网印刷 工艺制作，具有且不限于0.01～0.5mm的厚度，且表面能够牢固粘附在透气柔性 基底①。
本发明的一种实例中，①②③④能够进行封装密合，形成整体的柔性器件， 能够根据传感器应变的大小同步产生形变，在较大形变下能保持传感性能。本 发明的一种实例是利用热压工艺将所有部分粘合至一个整体。
图2为本发明中透明触觉传感器的工作原理图。在已经封装密合的情况下， ①②③④形成整体的柔性器件。从图2中可以看出，摩擦起电层③与外界材料 构成了一个单电极摩擦纳米发电机。图2所示是透气触觉传感器的一个完整工 作周期。在图2的初始状态下，摩擦起电层③进行触觉接触，由于摩擦接触起 电，摩擦起电层③表面带负电，触觉接触的物体表面带上等量的正电荷，此时 接触的上下摩擦表面的正负电荷在局部处于平衡状态。在触觉分离后，之前接 触到的物体远离摩擦起电层③和柔性导电电极④运动。摩擦起电层③表面的负 电荷数量不变而带有正电荷的物体逐渐远离，负电荷在柔性导电电极④产生了 静电势。当带有正电荷的物体移动到距离柔性导电电极④最远端时，柔性导电 电极④积累的电荷最多，静电势达到最大值。当下一次外界材料在外力作用下 重新靠近摩擦起电层③时，由于静电感应效应，外接材料表面带有的正电荷重 新平衡摩擦起电层③带有的负电荷，导致柔性导电电极④积累的正电荷流出， 柔性导电电极④的静电势逐渐减小。过程中的电学信号被所述触觉传感器的信 号检测和处理装置⑤检测到，所述触觉传感器的信号检测和处理装置⑤接受所 检测到的电信号并根据该信号获得待测目标的相关信息。
图3是根据本发明一种实施方式的触觉传感器感测触摸物体的信号结果。在 图3的实例中，采用接触分离方式，当触摸到物体后摩擦起电层③后带电，与 柔性导电电极④产生静电感应作用。当分离时，摩擦起电层③逐渐吸引正电荷 向柔性导电电极④转移，这个过程中伴随有电流产生。本发明的一种实例测试 结果如图3结果所示，当接触时电压升高，分离时电压恢复为正常水平。
图3展示了本发明一种实施方式的触觉传感器轻薄程度，图3f中天平显示整 个器件仅有0.1045g重量。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一 步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用 于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、 改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种柔性透气的触觉传感器，包括：
柔性透气性薄膜材料，其具有一定的柔性和拉伸性，可以轻柔的附着在皮肤上；
负性摩擦材料，其能够在触觉接触时与对外接触的物体摩擦起电；
柔性电极材料，其具有一定的电阻率和弹性性能；
电路与监测装置，用于接受所检测到的电信号并通过信号反馈目标的相关信息。
2.使用权利要求1所述的触觉传感器感测应变的感测方法。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114935421A (zh) * | 2022-04-07 | 2022-08-23 | 清华大学 | 基于摩擦纳米发电机的触觉感知系统及方法 |
| CN115046658A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-13 | 山东大学 | 一种自供电压力传感器及其制备方法 |
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2019
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