CN113125065A - 一种柔性三维力传感器及其制备方法 - Google Patents

一种柔性三维力传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种柔性三维力传感器及其制造方法，其中，所述柔性三维力传感器，包括：自上而下设置的凸起受力层、第一微结构单元和第二微结构单元，所述第一微结构单元包括第一柔性衬底、第一电极层和第一微结构，所述第二微结构单元包括第二电极层、第二微结构和第二柔性衬底，所述第一微结构与所述第二微结构分别包括正面和背面，所述第一微结构的正面与所述第二微结构的正面相对设置。

Description

一种柔性三维力传感器及其制备方法
技术领域
本公开涉及传感器技术领域，具体涉及一种柔性三维压力传感器。
背景技术
在传统的手术中，触觉在广泛的诊断中扮演着重要的角色。医生通过触觉产生力量和触觉反馈，这为识别病变组织或者器官提供了重要信息，病变组织或者器官与周围的组织或器官相比具有不同的硬度。因此，在传统的手术中，医生可以直接触诊组织或器官来定位并识别是否存在病变。
近年来，随着医疗技术的进步，机器人微创手术已经越来越多的被应用到临床。相比于传统的外科手术，机器人微创手术是用小切口进行的，伤口愈合所需的时间、伤口引起的疼痛和其他感染风险都被降至最低，具有手术精度高、术后疼痛少、住院恢复时间短、瘢痕少、降低整体医疗费用等显著优点。力感知在机器人微创手术是一个很重要的技术指标，但由于机器人微创手术本身缺乏触觉，当前，医生只能通过相机视觉信息来预估位置，仍然不能获得微创手术机器人的力反馈，无法通过触碰来识别组织或器官的病变程度，这降低了医生在手术过程中的灵活性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种面向机器人微创手术触手的新型柔性三维力传感器及其制备方法，以针对性解决现有的机器人微创手术中触手力检测方面的不足，更好的辅助临床医生进行手术以及机器人微创手术机器人系统的建立。
为了达到上述目的，本发明可以采用如下技术方案：
一种柔性三维力传感器，其包括：自上而下设置的凸起受力层、第一微结构单元和第二微结构单元，所述第一微结构单元包括第一柔性衬底、第一电极层和第一微结构，所述第二微结构单元包括第二电极层、第二微结构和第二柔性衬底，所述第一微结构与所述第二微结构分别包括正面和背面，所述第一微结构的正面与所述第二微结构的正面相对设置。
进一步的，所述第一电极层印刷设置于所述第一柔性衬底的表面，带有所述第一电极层的所述第一柔性衬底通过键合设置于所述第一微结构的背面，所述第一电极层设置于所述第一微结构与所述第一柔性衬底之间；所述第二柔性衬底通过键合设置于所述第二微结构的背面，所述第二电极层溅射设置于所述第二微结构的正面。
进一步的，所述第一微结构的正面与所述第二微结构的正面以正交的形式相对设置。
进一步的，所述第一微结构和第二微结构均为三棱锥微结构。
进一步的，所述第一电极层包括若干个通过丝网印刷技术，以导电油墨为印刷材料，印刷而成的丝网印刷电极。
进一步的，第二电极层包括溅射于所述第二微结构正面的铬和金。
进一步的，所述第一柔性衬底和所述第二柔性衬底的材料均包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，所述第一微结构和第二微结构的材料均包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
进一步的，所述凸起受力层的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
进一步的，所述柔性三维力传感器是通过具有生物兼容性的材料制成的。
进一步的，所述柔性三维力传感器包括复合介电层，所述第一微结构单元和位于所述第一微结构单元与所述第二微结构单元之间的空气形成所述复合介电层。
本发明还可采用如下技术方案：
一种制备柔性三维力传感器的方法，其包括如下步骤：
在微结构模具上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)以形成第一微结构；
通过丝网印刷技术在第一柔性衬底上印刷若干丝网印刷电极，以形成第一电极层；
将制备的带有所述第一电极层的第一柔性衬底键合于所述第一微结构的背面，以得到第一微结构单元；
在微结构模具上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)以形成第二微结构；
在第二微结构的背面键合聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)以形成第二柔性衬底；
将第二柔性衬底和第二微结构从微结构模具上剥离，在第二微结构的正面溅射第二电极层，以形成第二微结构单元；
将PDMS填入到凸起受力层模具中加热固化得到凸起受力层；
将所述第一微结构单元和所述第二微结构单元，以所述第一微结构的正面和所述第二微结构的正面正交相对的形式，装配贴合；
将所述凸起受力层装配贴合于所述第一微结构单元。
附图说明
图1是本公开柔性三维力传感器中第二微结构单元的示意图；
图2是本公开柔性三维力传感器中第一微结构单元的示意图；
图3是本公开柔性三维力传感器的结构示意图；
图4是本公开柔性三维力传感器在机器人微创手术触手上应用的示意图；
图5是本公开柔性三维力传感器的单点性能示意图。
图中标号：
柔性三维力传感器7；第一微结构单元210；第二微结构单元220；第一柔性衬底11；第二柔性衬底12；第一微结构21；第二微结构22；第一电极层4；第二电极层3；凸起受力层5；丝网印刷电极41；机器人微创手术机器人触手6；正面24；背面25。
具体实施方式
下面将结合附图以及实施例，对本公开做进一步说明。
如图1至图4所示，一种用于微创手术机器人触手6的柔性三维力传感器7，具体的，其为柔性电容式三维压力传感器。上述柔性三维力传感器包括：自上而下设置的凸起受力层5、第一微结构单元210和第二微结构单元220。第一微结构单元210包括第一柔性衬底11、第一电极层4和第一微结构21，第二微结构单元220包括第二电极层3、第二微结构22和第二柔性衬底12，第一微结构21与第二微结构22分别包括正面24和背面25，第一微结构21的正面24与所述第二微结构22的正面24以正交的形式相对设置。通过将第一微结构21的正面24与所述第二微结构22的正面24以正交的形式相对设置，使得该柔性三维力传感器受力范围广。其中，第一微结构21的正面24与所述第二微结构22的正面24以正交的形式相对设置，是指如图3所示的第一微结构21的正面24与第二微结构的正面24的表面的纹理相互垂直的相对放置。
第一柔性衬底11、第一电极层4和第一微结构21自上而下设置，第一电极层4印刷设置于第一柔性衬底11的下表面，带有第一电极层的第一柔性衬底通过键合设置于第一微结构21的背面25，第一电极层4设置于第一微结构21与第一柔性衬底11之间。第二电极层3、第二微结构22和第二柔性衬底12自上而下设置，第二柔性衬底12通过键合设置于第二微结构22的背面25，第二电极层3溅射设置于第二微结构22的正面24。
本实施例中，第一微结构21和第二微结构22均为三棱锥微结构，以实现高灵敏度。而通过采用两个三棱锥微结构正面正交相对的方式设置，使得该柔性三维力传感器不仅灵敏度高，还使其受力范围广。当然，其他实施例中，第一微结构21与第二微结构22也可以为四棱锥微等结构。
第一电极层4包括若干个通过丝网印刷技术，以导电油墨为印刷材料，印刷而成的丝网印刷电极41，本实施例中，丝网印刷电极41的数量可以为图3所示的四个，当然，也可为其他数量。
第二电极层3包括溅射于第二微结构22正面的金属材料，以提升该柔性三维力结构的灵敏度。本实施例中，该金属材料为铬和金，具体的，先在第二微结构22正面溅射一层铬之后，再溅射一层金，以实现高灵敏度。当然，其他实施例中，也可选择其他金属材料溅射于第二微结构22表面以形成第二电极层3。
第一柔性衬底11和第二柔性衬底12的材料均为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。第一微结构21和第二微结构22为弹性微结构，其材料均为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。凸起受力层的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
该柔性三维力传感器是通过具有生物兼容性的材料制成的。
柔性三维力传感器7包括复合介电层，本实施例中，通过将第一微结构21和第二微结构22的正面正交设置，使得第一微结构单元210和第二微结构单元220之间留有间隙，或者说使得第一微结构单元210和第二微结构单元220相对的面均与空气接触，使得，第一微结构单元210和位于第一微结构单元210与第二微结构单元220之间的空气形成上述复合介电层。
本实施例中柔性三维力传感器，凸起受力层是在将聚二甲基硅氧烷(PDMS)填入到电火花加工的模具中加热固化后剥离形成的；第二弹性微结构是在聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的三棱锥微结构表面溅射铬/金(Cr/Au)形成导电电极，聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的三棱锥微结构则是通过在硅模具上光刻或刻蚀等工艺获得的。柔性衬底的选材是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，通过丝网印刷的工艺在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上形成一层印刷电极，再将柔性衬底通过层压键合在第一微结构的背面。第一微结构单元和第二微结构单元以第一微结构和第二微结构正交的形式对准贴合，微结构单元与空气形成的复合介电层；最后将上述各部分封装贴合组成新型的柔性三维力传感器，并将其应用在机器人微创手术触手上。
如图4所示，是上述柔性三维力传感器7应用于微创手术机器人触手6上的示意图，是以针对性解决现有的机器人微创手术中触手力检测方面的不足，更好的辅助临床医生进行手术以及机器人微创手术机器人系统的建立。本实施例中，通过两个三棱锥微结构正交设置，且在第二微结构表面溅射第二电极层等具体方式，形成一高灵敏度和受力范围很广的柔性三维力传感器。如图5所示，为本公开一实施例中，柔性三维力传感器应用于机器人微创手术触手时的压力检测性能示意图，由此可以佐证该柔性三维力传感器受力范围广，且灵敏度高。
本公开的一实施例中，一种制备柔性三维力传感器的方法，其包括如下步骤：
S1:在微结构模具上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)以形成第一微结构；
S2:通过丝网印刷技术在第一柔性衬底上印刷若干丝网印刷电极，以形成第一电极层；
S3:将制备的带有所述第一电极层的第一柔性衬底键合于所述第一微结构的背面，以得到第一微结构单元；
S4:在微结构模具上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)以形成第二微结构；
S5:在第二微结构的背面键合聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)以形成第二柔性衬底；
S6:将第二柔性衬底和第二微结构从微结构模具上剥离，在第二微结构的正面溅射第二电极层，以形成第二微结构单元；
S7:将PDMS填入到凸起受力层模具中加热固化得到凸起受力层；
S8:将所述第一微结构单元和所述第二微结构单元，以所述第一微结构的正面和所述第二微结构的正面正交相对的形式，装配贴合；
S9:将所述凸起受力层装配贴合于所述第一微结构单元。
下面以一具体实施例来说明上述柔性三维力传感器的详细制备方法。以下的参数仅为距离，具体参数可根据实际情况调整。该实施例中，在第一微结构和第二微结构的制备步骤中，先制备微结构模具，再通过微结构模具制备第一微结构和第二微结构。
微结构单元是基于微机电系统(MEMS)工艺制造的。微结构模具是由厚度为300nm的二氧化硅(SiO2)的<100>硅片制成，首先绘制用于制备三棱锥微结构的掩膜版，然后利用光刻对晶片进行图案化，以产生具有暴露的二氧化硅(SiO2)的开放图案形状。将缓冲氢氟酸(BOE)蚀刻暴露的二氧化硅(SiO2)，然后用将晶片放入去离子水中超声清洗5min，再将氢氧化钾(KOH)溶液蚀刻晶片以产生三棱锥形微结构，待微结构形成之后，再次将缓冲氢氟酸(BOE)蚀刻残留的二氧化硅(SiO2)，然后用将晶片放入去离子水中超声清洗10min。在已获得微结构模具之后，利用十八烷基三氯硅烷(OTS)对硅模具表面进行处理，使硅模具表面产生疏水性。然后将聚二甲基硅氧烷(PDMS)在匀胶机的作用下旋涂在硅模具表面，以转移硅模具上的微结构，从而形成第一微结构和第二微结构。
在对第一柔性衬底和第二柔性衬底进行处理前，先对其进行预处理。具体如下，先用乙醇对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)进行漂洗5min，然后在去离子水中进行超声清洗10mim后用氮气吹干，再将其在80℃进行加热烘干。
通过丝网印刷技术在第一柔性衬底上印刷若干丝网印刷电极，以形成第一电极层，包括：首先使用CAD绘制出设计好的电极的形状，然后进行电极网版的制作。再通过丝网印刷的工艺将导电银浆油墨刮涂在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上得到导电印刷电极，在烘箱中以80度烘干2h。
将制备的带有所述第一电极层的第一柔性衬底键合于所述第一微结构的背面，以得到第一微结构单元，包括：
在聚二甲基硅氧烷(PDMS)在匀胶机的作用下旋涂在硅模具表面的时候，将导电印刷电极覆在其表面，转印其微结构，得到带有三锥微结构的印刷电极。
第二微结构的背面键合聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)以形成第二柔性衬底，包括：并获得的清洁的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)在进行氧离子处理5min之后，将其层压在未固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上，室温下在超过12MPa的压力下夹紧15min，然后将其在相同的压力下以80℃固化3h。
将第二柔性衬底和第二微结构从微结构模具上剥离，在第二微结构的正面溅射第二电极层，以形成第二微结构单元，包括：将柔性衬底聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)三棱锥微结构一起从硅模具上剥离，然后利用磁控溅射在其微结构表面溅射铬或金以完成第二微结构单元的制备。
将聚二甲基硅氧烷(PDMS)填入到凸起受力层模具中加热固化得到凸起受力层，包括：利用三维绘图软件绘制出模具，然后通过电火花的工艺加工模具，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)填入模具后，以100度加热固化2h后剥离即可得到凸起受力层。
将所述第一微结构单元和所述第二微结构单元，以所述第一微结构的正面和所述第二微结构的正面正交相对的形式，装配贴合；以及将所述凸起受力层装配贴合于所述第一微结构单元，可以统称为组装步骤。该组装步骤包括，将上述第一微结构单元和第二微结构单元以微结构正交的形式进行组装，并组装上凸起受力层，最终制得柔性三维力传感器。该压力传感器的测试性能如图5所示。
本实施例中，柔性三维力传感器对于三维力有明显的响应信号，具有良好的灵敏度和动态响应，且具备较大的压力检测范围。电极的制备基于微机电系统(MEMS)工艺，包括光刻、刻蚀、磁控溅射，使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为柔性衬底，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的第一微结构从具有微结构的硅模具上剥离，进行磁控溅射获得具有铬/金(Cr/Au)电极的第二微结构单元。使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为柔性衬底，利用丝网印刷在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上印刷一层电极，并在键合于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料做的微结构上，以形成第二微结构单元。第一微结构与第二微结构正交装配贴合，微结构与空气形成复合介电层，最后再将凸起受力层与其装配贴合形成三维压力传感器。利用上述的方法制备的新型柔性电容三维压力传感器具备灵敏度高、监测范围宽、动态响应好、分辨率高等特点，在微创手术、柔性电子、生物医学、人机交互、可穿戴电子领域有着广阔的应用前景。
对本发明公开的柔性三维力传感器结构，文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性三维力传感器，其特征在于，包括：自上而下设置的凸起受力层、第一微结构单元和第二微结构单元，所述第一微结构单元包括第一柔性衬底、第一电极层和第一微结构，所述第二微结构单元包括第二电极层、第二微结构和第二柔性衬底，所述第一微结构与所述第二微结构分别包括正面和背面，所述第一微结构的正面与所述第二微结构的正面相对设置。
2.如权利要求1所述的柔性三维力传感器，其特征在于：所述第一电极层印刷设置于所述第一柔性衬底的表面，带有所述第一电极层的所述第一柔性衬底通过键合设置于所述第一微结构的背面，所述第一电极层设置于所述第一微结构与所述第一柔性衬底之间；所述第二柔性衬底通过键合设置于所述第二微结构的背面，所述第二电极层溅射设置于所述第二微结构的正面。
3.如权利要求1或2所述的柔性三维力传感器，其特征在于：所述第一微结构的正面与所述第二微结构的正面以正交的形式相对设置。
4.如权利要求1或2所述的柔性三维力传感器，其特征在于：所述第一微结构和第二微结构均为三棱锥微结构。
5.如权利要求1或2所述的柔性三维力传感器，其特征在于：所述第一电极层包括若干个通过丝网印刷技术，以导电油墨为印刷材料，印刷而成的丝网印刷电极。
6.如权利要求1或2所述的柔性三维力传感器，其特征在于：第二电极层包括溅射于所述第二微结构正面的铬和金。
7.如权利要求1或2所述的柔性三维力传感器，其特征在于：所述第一柔性衬底和所述第二柔性衬底的材料均包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，所述第一微结构和第二微结构的材料均包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)，所述凸起受力层的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
8.如权利要求1或2所述的柔性三维力传感器，其特征在于：所述柔性三维力传感器是通过具有生物兼容性的材料制成的。
9.如权利要求1或2所述的柔性三维力传感器，其特征在于：所述柔性三维力传感器包括复合介电层，所述第一微结构单元和位于所述第一微结构单元与所述第二微结构单元之间的空气形成所述复合介电层。
10.一种制备柔性三维力传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在微结构模具上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)以形成第一微结构；
通过丝网印刷技术在第一柔性衬底上印刷若干丝网印刷电极，以形成第一电极层；
将制备的带有所述第一电极层的第一柔性衬底键合于所述第一微结构的背面，以得到第一微结构单元；
在微结构模具上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)以形成第二微结构；
在第二微结构的背面键合聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)以形成第二柔性衬底；
将第二柔性衬底和第二微结构从微结构模具上剥离，在第二微结构的正面溅射第二电极层，以形成第二微结构单元；
将PDMS填入到凸起受力层模具中加热固化得到凸起受力层；
将所述第一微结构单元和所述第二微结构单元，以所述第一微结构的正面和所述第二微结构的正面正交相对的形式，装配贴合；
将所述凸起受力层装配贴合于所述第一微结构单元。
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