CN112857637A - 一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元及制备方法，包括基底层、支撑层、触觉传感层及电极层，其中所述支撑层覆盖于所述基底层上；所述触觉传感层包括有分布在所述支撑层上的X×Y个环形螺旋纤维单元；所述电极层设于所述支撑层上，用于作为信号输出引线连接X×Y个环形螺旋纤维单元。本发明所述基于环形螺旋敏感纤维的柔性触觉传感器单元具有很大的设计自由度，可根据需要设计不同尺寸和大小的阵列块，同时针对不同的规则与不规则载体的结构表面排列组装成可拼接式阵列结构,可扩展为不同类型的触觉感知阵列,具备更强的可移植性。

Description

一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元及制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元及制备方法。
背景技术
近年来，兼具高柔性、大面积、高稳定性特征的触觉传感器在机器人电子皮肤、健康监测、人机交互、主从手协同系统等领域受到越来越多的关注，当今智能化社会的发展趋势对于触觉感知器件信息获取的能力提出了更高的要求。目前刚性器件及其系统中使用的金属箔类压力传感器在柔弹性方面难以满足可贴敷、可穿戴、便携式等需求，柔性电子皮肤领域的柔性触觉传感器具有与人体皮肤友好、可靠、安全的兼容性，使得其被广泛研究应用。
触觉传感器的感知机理包含多种敏感机制或敏感效应，如电阻式、电容式、压电式等，电阻式触觉传感器通过器件电阻值变化，获得触觉感知信息，具有信号易收集、器件结构简单等特点。同时易于大规模集成设计的优势赋予了其可扩展、大面积的潜力，在系统集成化、器件阵列化和芯片化方面具有广阔的应用前景。国内外学者针对触觉传感器单元及其阵列提出并设计了诸多器件和阵列结构，但很多结构难以兼顾弯曲特性和拉伸特性，同时在灵敏度、检测下限和稳定性等性能方面存在一定问题，制约了电阻式触觉传感器的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，以克服上述技术问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，其特征在于，包括：
基底层；
支撑层，覆盖于所述基底层上；
触觉传感层，包括有分布在所述支撑层上的X×Y个环形螺旋纤维单元；
电极层，设于所述支撑层上，用于作为信号输出引线连接X×Y个环形螺旋纤维单元。
进一步地，所述基底层采用织物材料，所述织物材料选自莱卡织物、棉包氨纶织物、涤纶织物、棉纶织物、锦纶织物、莫代尔、富强纤维织物中的一种。
进一步地，所述支撑层采用橡胶基聚合物材料，所述橡胶基聚合物材料选自硅橡胶、聚二甲基硅氧烷中的一种。
进一步地，所述环形螺旋纤维单元包括外螺旋和沿外螺旋的旋度旋进的内螺旋，所述外螺旋与内螺旋的终点以一横向短纤维进行连接，所述外螺旋的起点以一纵向纤维与所述电极层相连接，所述内螺旋的起点以一横向纤维与所述电极层相连接。
进一步地，所述环形螺旋纤维单元包括纤维衬底层和包裹纤维衬底层的橡胶基聚合物层，所述橡胶基聚合物层内填充应变敏感材料。
进一步地，所述应变敏感材料选自零维敏感材料、一维敏感材料和二维敏感材料中两种；所述零维敏感材料选自炭黑颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒、聚苯胺纳米颗粒、聚吡咯纳米颗粒中的一种；所述一维敏感材料选自碳纳米管、碳纳米纤维、金纳米线、银纳米线、氧化锌纳米线、聚苯胺纳米线、聚吡咯纳米线、聚苯胺纳米纤维中的一种，所述二维敏感材料选自石墨烯纳米片、氧化石墨烯纳米片、聚苯胺纳米片、聚吡咯纳米片中的一种。
进一步地，所述电极层由交叉垂直排布对所述X×Y个环形螺旋纤维单元进行连接的X条横向的导电纤维和Y条纵向的导电纤维组成。
进一步地，所述导电纤维包括纤维衬底和包裹纤维衬底的橡胶基聚合物，所述橡胶基聚合物内填充导电材料。
进一步地，所述导电材料选自炭黑颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的至少一种所组成的两相导电材料。
本发明的另一个目的在于提供一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
材料准备：将纤维衬底分别在乙醇和去离子水浸泡清洗干净，室温干燥后备用；
导电纤维的制备：将导电材料按比例溶于石脑油中，超声处理0.5-2h，磁力搅拌0.5-2h后加入橡胶基聚合物材料，继续搅拌处理1-3h，获得导电复合材料溶液；将纤维衬底放入上述导电复合材料溶液中5-10min，40-60℃下真空干燥，获得导电纤维；
环形螺旋纤维单元的制备：将应变敏感材料按照比例溶于石脑油中，超声处理1-3h，磁力搅拌1-3h后加入橡胶基聚合物材料，继续搅拌处理1-3h，获得应变敏感材料溶液；将纤维衬底放入环形螺旋状模具中，在环形螺旋状模具中注入上述应变敏感材料溶液，40-60℃下真空干燥后从模具中取出，获得环形螺旋纤维单元；
基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元的制备：在基底层上制备橡胶基聚合物层，将交叉垂直排布的X×Y个导电纤维放置于橡胶基聚合物层上，再将X×Y个环形螺旋纤维单元放置于橡胶聚合物层上且分布在X×Y个导电纤维中，将环形螺旋纤维单元的两个起始端分别连接在横向纤维和纵向纤维上，其中，所述X×Y个导电纤维的引线交叉处采用橡胶基聚合物进行隔离，40-60℃下真空干燥固化后，即制得基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元。
有益效果：
(1)本发明所述的基于环形螺旋敏感纤维的柔性触觉传感器单元，一方面，相较于二维薄膜或三维结构的基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元及其阵列，以织物为载体的基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元感知拉伸、压缩、弯曲等不同类型的应变时，织物上微纤维表面应变敏感材料构成的导电通路瞬时发生变化，引起电阻等电学参量的变化，通过这种方式感知触觉信息的织物电子器件类似于传统织物，柔软性、适配性、与目标载体的兼容性更优；另一方面，所述基于环形螺旋敏感纤维的柔性触觉传感器单元具有很大的设计自由度，可根据需要设计不同尺寸和大小的阵列块，同时针对不同的规则与不规则载体的结构表面排列组装成可拼接式阵列结构,可扩展为感知不同压力范围的触觉感知阵列,具备更强的可移植性。因此，所述基于环形螺旋敏感纤维的柔性触觉传感器及其阵列可适配各类规则与不规则结构表面，同时可适应弯曲、拉伸、卷曲等不同方式的应变。
(2)环形螺旋敏感纤维内的敏感材料体系可选自零维敏感材料体系、一维敏感材料体系、二维敏感材料体系，可针对不同压力范围的触觉感知场景设计不同敏感材料体系，满足不同场景的应用需求。
(3)本发明提出的基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元包含X×Y个环形螺旋敏感纤维单元，一方面，每个单元可选用同种敏感材料，也可独立选取不同敏感材料，另一方面，每个单元在结构设计方面具有很大的自由度，每个单元的环绕圈数、环绕半径、不同圈之间间距灵活可调，可根据不同应用场景下具体的压力感知范围对上述参数进行设计，具有灵敏度、触觉感知范围可调的特点，各个触觉传感器单元独立感知触觉信号，可实现对单点触觉信息的感知，更可通过面阵上的多个触觉传感器单元实现对多点触觉信息的感知。
(4)本发明工艺简单，制造成本低廉，可实现大规模、可扩展式传感阵列制备。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中触觉传感器与电极层的连接示意图；
图3为本发明实施例1所述触觉传感器单元多次感知手指触摸压力时的应变电阻曲线图。
具体实施方式
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”等指示的方位或位置关系仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或结构必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所述，所述的一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，包括基底层、支撑层、触觉传感层、及电极层。
其中，所述基底层采用织物材料，所述织物材料选自莱卡织物、棉包氨纶织物、涤纶织物、棉纶织物、锦纶织物、莫代尔、富强纤维织物中的一种；
其中，所述支撑层覆盖于所述基底层上，所述支撑层采用橡胶基聚合物材料，所述橡胶基聚合物材料选自硅橡胶、聚二甲基硅氧烷中的一种；
其中，所述触觉传感层包括有分布在所述支撑层上的X×Y个环形螺旋纤维单元,所述环形螺旋纤维单元包括外螺旋和沿外螺旋的旋度旋进的内螺旋，所述外螺旋与内螺旋的终点以一横向短纤维进行连接，所述外螺旋的起点以一纵向纤维与所述电极层相连接，所述内螺旋的起点以一横向纤维与所述电极层相连接；所述环形螺旋纤维单元包括纤维衬底层和包裹纤维衬底层的橡胶基聚合物层，所述橡胶基聚合物层内填充应变敏感材料,其中，所述应变敏感材料选自零维敏感材料、一维敏感材料和二维敏感材料中两种；所述零维敏感材料选自炭黑颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒、聚苯胺纳米颗粒、聚吡咯纳米颗粒中的一种；所述一维敏感材料选自碳纳米管、碳纳米纤维、金纳米线、银纳米线、氧化锌纳米线、聚苯胺纳米线、聚吡咯纳米线、聚苯胺纳米纤维中的一种，所述二维敏感材料选自石墨烯纳米片、氧化石墨烯纳米片、聚苯胺纳米片、聚吡咯纳米片中的一种；
其中，所述电极层设于所述支撑层上，用于作为信号输出引线连接X×Y个环形螺旋纤维单元，所述电极层由交叉垂直排布对所述X×Y个环形螺旋纤维单元进行连接的X条横向的导电纤维和Y条纵向的导电纤维组成，所述导电纤维包括纤维衬底和包裹纤维衬底的橡胶基聚合物，所述橡胶基聚合物内填充导电材料，所述导电材料选自炭黑颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的至少一种所组成的两相导电材料。
上述的一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元的制备方法，包括如下步骤：
材料准备：将纤维衬底分别在乙醇和去离子水浸泡清洗干净，室温干燥后备用；
导电纤维的制备：将导电材料按比例溶于石脑油中，超声处理0.5-2h，磁力搅拌0.5-2h后加入橡胶基聚合物材料，继续搅拌处理1-3h，获得导电复合材料溶液；将纤维衬底放入上述导电复合材料溶液中5-10min，40-60℃下真空干燥，获得导电纤维；
环形螺旋纤维单元的制备：将应变敏感材料按照比例溶于石脑油中，超声处理1-3h，磁力搅拌1-3h后加入橡胶基聚合物材料，继续搅拌处理1-3h，获得应变敏感材料溶液；将纤维衬底放入环形螺旋状模具中，在环形螺旋状模具中注入上述应变敏感材料溶液，40-60℃下真空干燥后从模具中取出，获得环形螺旋纤维单元；
基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元的制备：在基底层上制备橡胶基聚合物层，将交叉垂直排布的X×Y个导电纤维放置于橡胶基聚合物层上，再将X×Y个环形螺旋纤维单元放置于橡胶聚合物层上且分布在X×Y个导电纤维中，将环形螺旋纤维单元的两个起始端分别连接在横向纤维和纵向纤维上，其中，所述X×Y个导电纤维的引线交叉处采用橡胶基聚合物进行隔离，40-60℃下真空干燥固化后，即制得基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元。
以下为具体实施例：
实施例1：
S1：将氨纶织物基底和氨纶纤维衬底分别在乙醇和去离子水浸泡清洗干净，室温干燥后备用；
S2：将0.15g炭黑和0.15g银纳米颗粒溶于石脑油中，超声分散0.5h，磁力搅拌1h后，加入1.5g硅橡胶，接着进行磁力搅拌处理1.5h，获得炭黑/银纳米颗粒/硅橡胶复合材料溶液；
S3：将氨纶纤维衬底放入上述炭黑/银纳米颗粒/硅橡胶复合材料溶液中5min，40℃下真空干燥，获得导电纤维；
S4：将0.1g石墨烯纳米片和0.05g碳纳米管溶于石脑油中，超声分散2h，磁力搅拌1.5h后，加入2g硅橡胶，接着进行磁力搅拌处理2h，得到石墨烯纳米片/碳纳米管/硅橡胶复合材料溶液；
S5：将氨纶纤维衬底放入环形螺旋状模具中，在模具中注入石墨烯纳米片/碳纳米管/硅橡胶复合材料溶液，50℃下真空干燥后从模具中取出，获得环形螺旋纤维单元；
S6：在氨纶织物基底上采用旋涂一层厚度为1mm的硅橡胶，将X×Y个环形螺旋敏感纤维单元和交叉垂直排布的X×Y个导电纤维行列引线放置于硅橡胶表面，X×Y个纤维单元两端分别采用导电纤维与行列引线连接，引线交叉处采用硅橡胶隔离，50℃下真空干燥固化后，即制得基于环形螺旋敏感纤维的柔性触觉传感器单元。
如图3所示，所制备的基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元多次感知手指触摸压力时其应变电阻曲线保持较稳定，未出现较大漂移现象。
实施例2：
S1：将氨纶织物基底和氨纶纤维衬底分别在乙醇和去离子水浸泡清洗干净，室温干燥后备用；
S2：将0.15g炭黑和0.15g银纳米颗粒溶于石脑油中，超声分散0.5h，磁力搅拌1h后，加入1.5g硅橡胶，接着进行磁力搅拌处理1.5h，获得炭黑/银纳米颗粒/硅橡胶复合材料溶液；
S3：将氨纶纤维衬底放入上述炭黑/银纳米颗粒/硅橡胶复合材料溶液中5min，40℃下真空干燥，获得导电纤维；
S4：将0.1g石墨烯纳米片和0.05g碳纳米管溶于石脑油中，超声分散2h，磁力搅拌1.5h后，加入2g硅橡胶，接着进行磁力搅拌处理2h，得到石墨烯纳米片/碳纳米管/硅橡胶复合材料溶液；
S5：将氨纶纤维衬底放入环形螺旋状模具中，在模具中注入石墨烯纳米片/碳纳米管/硅橡胶复合材料溶液，50℃下真空干燥后从模具中取出，获得环形螺旋敏感纤维；
S6：在氨纶织物基底上采用旋涂一层厚度为1mm的硅橡胶，将X×Y个环形螺旋敏感纤维单元和交叉垂直排布的X×Y个导电纤维行列引线放置于硅橡胶表面，X×Y个纤维单元两端分别采用导电纤维与行列引线连接，引线交叉处采用硅橡胶隔离，50℃下真空干燥固化后，即制得基于环形螺旋敏感纤维的柔性触觉传感器阵列。
本发明实施例所述基于环形螺旋敏感纤维的柔性触觉传感器单元在感知不同触觉信息时，触觉传感层内传感器单元应变敏感材料由于拉伸、压缩、挤压、接触等作用引起螺旋敏感纤维内部敏感材料构建的导电网络发生变化，输出特定的电阻信号，完成触觉感知信息的获取。所述触觉传感器单元包含多个环形螺旋敏感纤维单元，各个单元内敏感材料体系的选取具有很大的自由度，使得环形螺旋敏感纤维单元具有灵敏度、触觉感知范围可调的特点，可实现对单点、多点以及平面触觉信息的感知。此外，基于织物基底的可扩展性，可根据实际应用需求定制织物基底的面积，同步设置行列数和触觉传感器单元数目，具有大规模、定制化设计触觉感知阵列的潜力，有望在机器人主从手操作系统、遥操作系统、智能电子皮肤等领域应用。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加简洁明了，本发明用以上具体实施例进行说明，仅仅用于描述本发明，不能理解为对本发明的范围的限制。应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，其特征在于，包括：基底层(1)；
支撑层(2)，覆盖于所述基底层上；
触觉传感层(3)，包括有分布在所述支撑层上的X×Y个环形螺旋纤维单元；
电极层(4)，设于所述支撑层上，用于作为信号输出引线连接X×Y个环形螺旋纤维单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，其特征在于，所述基底层采用织物材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，其特征在于，所述支撑层采用橡胶基聚合物材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，其特征在于，所述环形螺旋纤维单元包括外螺旋(31)和沿外螺旋的旋度旋进的内螺旋(32)，所述外螺旋与内螺旋的终点以一横向短纤维(33)进行连接，所述外螺旋的起点以一纵向纤维(34)与所述电极层相连接，所述内螺旋的起点以一横向纤维(35)与所述电极层相连接。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，其特征在于，所述环形螺旋纤维单元包括纤维衬底层和包裹纤维衬底层的橡胶基聚合物层，所述橡胶基聚合物层内填充应变敏感材料。
6.根据权利要求4所述的一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，其特征在于，所述应变敏感材料选自零维敏感材料、一维敏感材料和二维敏感材料中两种；所述零维敏感材料选自炭黑颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒、聚苯胺纳米颗粒、聚吡咯纳米颗粒中的一种；所述一维敏感材料选自碳纳米管、碳纳米纤维、金纳米线、银纳米线、氧化锌纳米线、聚苯胺纳米线、聚吡咯纳米线、聚苯胺纳米纤维中的一种，所述二维敏感材料选自石墨烯纳米片、氧化石墨烯纳米片、聚苯胺纳米片、聚吡咯纳米片中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，其特征在于，所述电极层由交叉垂直排布对所述X×Y个环形螺旋纤维单元进行连接的X条横向的导电纤维和Y条纵向的导电纤维组成。
8.根据权利要求7所述的一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，其特征在于，所述导电纤维包括纤维衬底和包裹纤维衬底的橡胶基聚合物，所述橡胶基聚合物内填充导电材料。
9.根据权利要求8所述的一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元，其特征在于，所述导电材料选自炭黑颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的至少一种。
10.一种权利要求1-9中任意一项所述的一种基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
材料准备：将纤维衬底分别在乙醇和去离子水浸泡清洗干净，室温干燥后备用；
导电纤维的制备：将导电材料按比例溶于石脑油中，超声处理0.5-2h，磁力搅拌0.5-2h后加入橡胶基聚合物材料，继续搅拌处理1-3h，获得导电复合材料溶液；将纤维衬底放入上述导电复合材料溶液中5-10min，40-60℃下真空干燥，获得导电纤维；
环形螺旋纤维单元的制备：将应变敏感材料按照比例溶于石脑油中，超声处理1-3h，磁力搅拌1-3h后加入橡胶基聚合物材料，继续搅拌处理1-3h，获得应变敏感材料溶液；将纤维衬底放入环形螺旋状模具中，在环形螺旋状模具中注入上述应变敏感材料溶液，40-60℃下真空干燥后从模具中取出，获得环形螺旋纤维单元；
基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元的制备：在基底层上制备橡胶基聚合物层，将交叉垂直排布的X×Y个导电纤维放置于橡胶基聚合物层上，再将X×Y个环形螺旋纤维单元放置于橡胶聚合物层上且分布在X×Y个导电纤维中，将环形螺旋纤维单元的两个起始端分别连接在横向纤维和纵向纤维上，其中，所述X×Y个导电纤维的引线交叉处采用橡胶基聚合物进行隔离，40-60℃下真空干燥固化后，即制得基于环形螺旋纤维的柔性触觉传感器单元。
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