CN113176018B - 一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列及其制备方法，从上至下依次包括密封层、离子交换树脂薄膜、电极层和双面胶层；离子交换树脂薄膜朝向电极层的一侧设置有上下表面面积不等的微结构，电极层采用底面单侧布置，正负电极布置在离子交换树脂薄膜的同侧；双面胶层设置在待测物的表面，通过电极层外接测试电路进行测试。本发明具有结构柔性化、灵敏度高、低噪声、成本低，能够感知压力大小和位置的优势，在机器人触觉、柔性触控等方向有着重大的借鉴意义。
Description
技术领域
本发明属于压力传感技术领域，具体涉及一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列及其制备方法。
背景技术
近年来，柔性聚合物及以其为基底的功能复合材料受到广泛关注，柔性聚合物制作的人工皮肤传感器在柔性机器人、柔性医疗器械、柔性触控等领域具有广阔的发展前景。柔性感知材料包括有源传感材料如离子交换树脂或PVDF压电聚合物（pvinylidenefluoride）与无源传感材料如纳米颗粒复合硅橡胶或力敏橡胶。离子交换树脂是一种新型柔性聚合物有源传感材料，相比于无源传感，自身能够将力学量转换成电信号，外围电路简单，无需工作电源；相比其它柔性有源传感材料，其工艺性好，这类聚合物可以采用溶液成膜或者熔融铸膜等工艺加工，能够任意塑形，并且基于离子迁移运动感知外部力的工作原理使其具有天然仿生特点。
然而，目前柔性有源传感器面临感知结构不合理导致传感性能差和小型阵列化制造工艺复杂等问题。基于柔性感知材料设计研发的传感器主要用于感知弯曲，对压力形式的感知研究很少，传感性能较差主要表现在低响应幅值，传统悬臂梁结构的柔性感知装置电压响应幅值仍在1-10mV量级范围。
现有研究主要集中在电容式和压阻式的柔性感应装置，而对于离子交换树脂材料的柔性有源压力感应装置鲜有研究，相比单一的离子交换树脂材料传感器，离子交换树脂材料阵列化形成的人工皮肤，具有矢量测量和分布测量的功能，应用更为广泛，而这方面的研究也很少；现有的柔性有源传感器在电极布置方案上，大都采用的三明治结构，即就是上下两片电极片中间夹着感知材料，这样的设计一方面感应装置灵敏度不高，组装困难，另一方面由于物理接触导致的不稳定性难以解决，接触不稳定同时也带来很大的噪声干扰，严重制约了柔性传感装置的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列及其制备方法，具有结构柔性化、灵敏度高、低噪声的特点，用于人工皮肤的受力大小与位置感知。
本发明采用以下技术方案：
一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列，从上至下依次包括密封层、离子交换树脂薄膜、电极层和双面胶层；离子交换树脂薄膜朝向电极层的一侧设置有上下表面面积不等的微结构，电极层采用底面单侧布置，正负电极布置在离子交换树脂薄膜的同侧；双面胶层设置在待测物的表面，通过电极层外接测试电路进行测试。
具体的，微结构包括棱台、金字塔、圆台或圆锥结构。
具体的，离子交换树脂薄膜采用溶液铸膜方式制成，具体为：
以铜片或毛玻璃作为铸膜的模具，将浓度5%~20%的Nafion溶液与二甲基乙酰胺按照（1~4）:1的比例配置，通过浓缩获得25%~33%的铸膜液；将铸膜液涂布在模具表面，经60~80℃真空烘干处理得到膜；将铜片和膜置于去离子水中，在超声辅助作用下进行脱膜得到具有微阵列结构的离子聚合物薄膜。
具体的，离子交换树脂薄膜上设置有凸起点或凹陷点；凸起最高点的厚度与离子交换树脂薄膜的平均厚度之差为10~200μm；凹陷最低点的厚度与离子交换树脂薄膜的平均厚度之差为10~200μm；相邻两凸起点或凹陷点之间的距离为10~400μm。
具体的，电极层上设置有正电极点和共用接地电极，正电极点包括多个，阵列设置在电极层上形成阵列电极，每个正电极点单独引线用于连接外部电路。
进一步的，正电极点的面积为0.2~20mm2，形状为圆形或方形，间距为0.2~5mm。
进一步的，共用接地电极至少包括一个，共用接地电极的形状为方形或圆形，面积大于等于20mm2，共用接地电极距离最近的正电极点的距离大于等于2厘米。
具体的，电极层的厚度为10~50μm，采用柔性fpc电路板制成，或者由柔性导电材料雕刻制成。
具体的，密封层采用环氧树脂材料、热熔胶、MX-3140有机硅胶或硫化硅橡胶制备而成。
本发明的另一技术方案是，一种制备单侧电极离子聚合物压力感知阵列的方法，其特征在于，将双面胶层和电极层粘接在一起，电极层上的阵列电极背面与双面胶层的一侧接触；在电极层的上方放置离子交换树脂薄膜，离子交换树脂薄膜设置有微结构的一面朝向电极层，光面朝上，离子交换树脂薄膜的边缘用密封胶粘在电极层上；将正电极点和共用接地电极分别通过引线接入外接电路，最后在表面涂封密封层进行密封。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列，主要由阵列电极层、离子交换树脂薄膜和密封层三部分组成；在受到外界压力作用时，离子交换树脂薄膜内带电离子发生迁移，产生电压响应，阵列化分布的正电极点，会接受到来自离子交换树脂薄膜不同的电压响应，并将这些信号输送给外接测试电路，根据各个正电极点所传输电压信号的大小，可以得到各个点所受压力的大小以及外界压力的位置分布情况；阵列电极层使用底面单电极层的设计，阵列化的正电极组和共用负电极在同一块电极层上，位于离子交换树脂薄膜的同一侧。相较于现有传感装置采用的上下双电极中间夹传感材料的三明治结构，底面单电极层的设计方案，集正负电极于同一层，一方面简化了装置结构，降低了装配难度（三明治结构需要正负电极对准，技术难度高），提高了装置可靠性，降低了响应噪声，另一方面，底面单电极层的设计使得传感装置的受压电压响应高于传统的三明治结构的电压响应，由于结构和材料的柔性特征，可以适用于各种待测表面；使用时，只需揭下双面胶保护膜将其粘接在待测表面，然后将感知装置电极接线接入测试电路即可；可以测得分布在各个电极点的压力大小，能产生0~30mv的电压响应，实现压力的大小及分布感应。
进一步的，离子交换树脂薄膜的传感原理是一个力-电物理过程，在外力作用下离子交换树脂材料正负电极之间会产生弹性应力差，致使可移动阳离子发生移动与重分布，从而可以引起电响应。设置微结构能大幅提升电极之间的应力差，从而增大传感器的响应电压。
进一步的，带有微结构的离子交换树脂薄膜利用低成本粗糙表面为模板浇筑；模具为离子交换树脂薄膜微结构的反式凹坑结构，采用具备微结构表面的现成板材作为模具，包括但不限于不同目数喷砂处理的毛玻璃、经激光或电火花拉毛后的金属片、电化学腐蚀的粗糙金属板、泡沫金属板等；采用具备不规则微结构表面的现成板材作为模能在很大程度上降低模具成本。
进一步的，微结构的单元特征尺寸，例如凸起最高点的厚度与平均厚度之差、凹陷最低点的厚度与平均厚度之差、相邻凸起点或凹陷点之间的距离，其范围在10~400μm。这种不规则的微结构能使得传感装置更加灵敏，响应电压大幅度提升。
进一步的，电极层上设置的正电极点，每个点单独引线，相互独立，各自采集对应点的电压，这样可以实现阵列感知，不仅能感知受力大小，更能感知受力点的位置；负电极采用共用接地电极的方式，减小了电路布线难度，减少了平面内布线数目，便于增加正电极点数，提高受力位置辨识能力。
进一步的，对于阵列化的正电极组，可以由1个点、2个点、乃至多个点阵列排布组成，正电极点面积0.2~20mm2，形状为圆形或方形，间距0.2~5mm，同一规格电极层上的各个点面积、形状、间距大小均相同，每个点单独引线到电极层板边缘，并接入外接电路；多个正极点单独引线，每个正极点和共用负极点组成一个小的传感器，这样通过测量各个正极点和共用负极点间的电压值，不仅可以得到各点受压的压力大小，还可以得到受压点的位置。
进一步的，对于共用负极点，出于可靠性的考虑，该共用负极点可以是1个点，也可以是2个点乃至多个点，各点面积不小于20mm2，形状为方形或圆形，各点之间由导线联通，距离最近阵列正电极点的距离不小于2厘米；共用负极点的设计，简化了装置结构，提高了负极点与正极点之间的电压响应，减小了电极层的布线数目和布线难度，对于多点测试设计有着突出的贡献。
进一步的，阵列电极层厚度为10~50μm，由柔性fpc电路板制成，也可以由柔性导电材料通过刻字机或激光雕刻机雕刻制作而成，包括但不限于各类可弯曲的柔性薄片导电材料；使用柔性材料制作电极得目的在于实现电极与树脂薄膜的完美贴合，方便整个传感装置在不同曲面上应用。
进一步的，密封层，由具备防水、防污染、防透气功能的聚合物材料充当，包括但不限于环氧树脂材料、热熔胶、MX-3140有机硅胶、硫化硅橡胶等；能够起到隔绝待外界和离子交换树脂薄膜层之间的电荷交换，保持离子交换树脂薄膜在一个稳定含水量情况下工作的作用。
本发明一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列的制备方法，首先将双面胶和电极片粘接在一起，阵列电极背面与双面胶接触，并粘接在双面胶表面；在电极片上方放置离子交换树脂薄膜，有微结构一面朝下，光面朝上，离子交换树脂薄边缘用密封胶粘在电极片上；将阵列正电极组和共用负电极分别引线接入外接电路，最后在表面涂封密封层进行密封，使用了底面单侧电极布置方案，正负电极都布置在离子交换树脂薄膜的同一侧；所有正电极点共用一个共用接地电极，降低了布线难度；强调带有微结构的一面朝向电极层，不需要正负电极点相互对准，减小了装配难度；假若每一个正电极对应一个负电极，负电极数目增加会占用平面空间，且负电极引线数目增多也会占用平面布线空间，致使平面内电极对数减少，进而降低空间受力位置辨识能力，共用负电极使得正电极对数达到最大值，空间受力位置辨识能力达到最优。
综上所述，本发明具有结构柔性化、灵敏度高、低噪声、成本低，能够感知压力大小和位置的优势，在机器人触觉、柔性触控等方向有着重大的借鉴意义。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为结构示意图；
图2为离子交换树脂薄膜的微单元结构示意图；
图3为基于离子交换树脂的阵列型有源压力传感装置的电极引线示意图；
图4为金字塔结构离子交换树脂的阵列型有源压力传感装置压力-电压响应效果图。
其中：1.密封层；2.离子交换树脂薄膜；3.电极层；4.双面胶层；31.正电极点；310.共用接地电极。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列及其制备方法，包括阵列电极层、离子交换树脂薄膜和密封层三部分；离子交换树脂薄膜一面光滑，一面具有上下表面积不等的不规则微结构，利用低成本粗糙表面为模板浇筑制成。由于使用离子交换树脂作为传感器材料，压力作用下能够产生电压信号，高灵敏度准确地感知待测压力大小，阵列电极识别受压位置，克服现有柔性压力传感器灵敏度低、噪声干扰大、阵列化困难的难题，实现了感应装置对压力大小和位置的感触功能。感应装置受力最大可产生30mv的电压响应，在柔性触控和机器人触觉等领域中具有重要推广价值。
请参阅图1，本发明提供了一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列，从上至下依次包括密封层1、带微结构的离子交换树脂薄膜2、电极层3和双面胶层4。电极层3使用底面单侧布置的设计，正负电极布置在离子交换树脂薄膜2的同一侧；在受到外界压力作用时，离子交换树脂薄膜2内带电离子发生迁移，产生电压响应，以此来感知外界压力的大小和位置；使用时，感知阵列的电极层3通过双面胶层4粘接在待测物的表面，外接测试电路进行测试。
密封层1采用具备防水、防污染、防透气功能的聚合物材料充当，能够起到隔绝待外界和离子交换树脂薄膜2之间的电荷交换，保持离子交换树脂薄膜2在一个稳定含水量情况下工作的作用；聚合物材料包括当不限于环氧树脂材料、热熔胶、MX-3140有机硅胶、硫化硅橡胶等。
感知阵列所使用的感知材料为离子交换树脂薄膜2，离子交换树脂薄膜2包括：全氟磺酸质子交换膜（如杜邦公司的Nafion膜，东岳集团全氟磺酸树脂等）和全氟羧酸质子交换膜（旭硝子公司Flemion膜）；离子交换树脂薄膜2的一侧带有微结构，微结构单元结构具有上下表面面积不等的特点，例如棱台、金字塔、圆台、圆锥亦或者是其他规则、不规则的结构。
离子交换树脂材料能够将力学量转换成电信号，外围电路简单，无需工作电源，相比其它柔性有源传感材料，其工艺性好，基于离子迁移运动感知外部力具有天然仿生特点。
离子交换树脂薄膜2通过溶液铸膜方式制造而成；模具为离子交换树脂薄膜2的反式凹坑结构，采用具备微结构表面的现成板材作为模具，包括不同目数的毛玻璃、经激光或电火花拉毛后的金属片、泡沫金属板等。
离子交换树脂薄膜2的凸起最高点的厚度与离子交换树脂薄膜2的平均厚度之差为10~200μm、凹陷最低点的厚度与离子交换树脂薄膜2的平均厚度之差为10~200μm，相邻凸起点或凹陷点之间的距离为10~400μm。
电极层3使用底面单电极层的设计，多个正电极点31阵列设置在电极层3上形成阵列电极，电极层上还设置有共用接地电极310，正电极点31和共用接地电极310位于离子交换树脂薄膜的同一侧。在受到外接压力作用时，阵列化分布的正电极点31接受到来自离子交换树脂薄膜2不同的电压响应，并将这些信号输送给外接测试电路，根据各个正电极点31所传输电压信号的大小，得到各个正电极点31所受压力的大小以及外界压力的位置分布情况。
阵列化的正电极点31由1个点、2个点、乃至多个点阵列排布组成，正电极点31的面积为0.2~20mm2，形状为圆形或方形，间距为0.2~5mm，同一规格电极层3上的各个点面积、形状、间距大小均相同，每个正电极点31单独引线到电极层3的板边缘，并接入外接电路。
出于可靠性的考虑，共用接地电极310可以是1个点，也可以是2个点乃至多个点，各共用接地电极310面积不小于20mm2，形状为方形或圆形，各共用接地电极310之间由导线联通，距离最近的正电极点31的距离大于等于2厘米。
电极层3的厚度为10~50μm，采用柔性fpc电路板，或者由柔性导电材料通过刻字机或激光雕刻机雕刻制作而成，电极层3包括但不限于各类可弯曲的柔性薄片导电材料。
双面胶层4采用具备防水防透气性能且绝缘的高分子材料或高分子复合材料制作，包括但不限于由PET基材、无纺布基材、无基材泡棉或热熔胶膜制作的工业双面胶。
双面胶层既能够固定底面阵列电极和离子交换树脂薄膜，又能够隔绝待粘贴表面与电极层和离子交换树脂薄膜层之间的电荷交换，保持离子交换树脂薄膜在一个稳定的含水量情况下工作。
由于结构和材料的柔性特征，本发明可以适用于各种待测表面；使用时，只需揭下双面胶层4的保护膜将感知阵列粘接在待测表面，然后将感知阵列的电极接线接入测试电路；产生0~30mv的电压响应，测得分布在各个电极点的压力大小，实现压力的大小及分布感应。
使用时，揭开双面胶，感知阵列的电极层3通过双面胶层4粘接在待测物的表面，外接测试电路进行测试。在受到外界压力作用时，离子交换树脂薄膜2内带电离子发生迁移，在正负两个电极之间产生电压响应，以此来感知外界压力的大小，受力位置会有电压响应，且力越大电压越大，不受力的位置电压没有响应，以此来实现受力位置分辨。
本发明一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列的制备方法，组装过程中，首先将双面胶层4和电极层3粘接在一起，阵列电极的背面与双面胶层4接触；在电极层3的上方放置离子交换树脂薄膜2，离子交换树脂薄膜2设置有微结构的一面朝下，光面朝上，离子交换树脂薄膜2的边缘用密封胶粘在电极层3上；将正电极点31和共用接地电极310分别通过引线接入外接电路，最后在表面涂封密封层进行密封。
离子聚合物薄膜的制备方法如下：
以铜片或毛玻璃作为铸膜的模具，使用杜邦公司的5%~20%浓度的Nafion溶液，与二甲基乙酰胺按照（1~4）:1的比例配置，通过浓缩获得25%~33%的浓缩液用于铸膜；
将铸膜液涂布与模具表面，并置于真空干燥箱，经过60~80℃高温烘干处理，使得溶液固化成膜；
将铜片和膜置于去离子水中，在超声辅助作用下进行脱膜获得带有金字塔微阵列结构的离子聚合物薄膜。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1
以激光拉毛的铜片作为铸膜的模具，使用杜邦公司的5%浓度的Nafion溶液，与二甲基乙酰胺按照4:1的比例配置，通过浓缩获得25%的浓缩液用于铸膜。将铸膜液涂布与模具表面，并置于真空干燥箱，经过80℃高温烘干处理，使得溶液固化成膜。将铜片和膜置于去离子水中，在超声辅助作用下进行脱膜获得带有金字塔微阵列结构的离子聚合物薄膜，如图2所示。
请参阅图3，以柔性fpc电路板为电极层，经电极层末端用fpc连接器接入调理电路。组装时，请参阅图1，首先将双面胶层4粘接到待测物体表面，然后粘接电极层3，在电极层3的上方放置离子交换树脂薄膜2，将离子交换树脂薄膜2有微结构的一面朝向电极层3，光面朝上；将共用接地电极310和阵列排布的正电极点31分别用引线接入调理电路，最后在表面涂封MX-3140有机硅粘接密封胶进行密封，作为密封层1。
请参阅图4，组装后进行测试，实验时通过对硅胶密封层1中心位置施加一定脉冲压力进行等效测量，位于中间的正电极点31测得高电压响应26mv，其他电极为低电压输出；计算感知阵列的压力-电压输出灵敏度为26mV/N。
本实施例采用激光拉毛的铜板作为模具，降低了生产成本；测得受力点电极对反馈电压值26mv，计算得到灵敏度26mv/N，比同类传感器10mv最大电压响应有很大提升；受力点有高电响应，不受力点低电压噪声输出，可以准确区分受力位置，实现了空间受力点辨识功能。
实施例2
以激光拉毛的铜片作为铸膜的模具，使用杜邦公司的10%浓度的Nafion溶液，与二甲基乙酰胺按照2:1的比例配置，通过浓缩获得28%的浓缩液用于铸膜；将铸膜液涂布与模具表面，并置于真空干燥箱，经过65℃高温烘干处理，使得溶液固化成膜。将铜片和膜置于去离子水中，在超声辅助作用下进行脱膜获得带有金字塔微阵列结构的离子聚合物薄膜，如图2所示。
请参阅图3，以柔性fpc电路板为电极层，经电极层末端用fpc连接器接入调理电路。组装时，请参阅图1，首先将双面胶层4粘接到待测物体表面，然后粘接电极层3，在电极层3的上方放置离子交换树脂薄膜2，将离子交换树脂薄膜2有微结构的一面朝向电极层3，光面朝上；将共用接地电极310和阵列排布的正电极点31分别用引线接入调理电路，最后在表面涂封MX-3140有机硅粘接密封胶进行密封，作为密封层。
本实施例采用激光拉毛的铜板作为模具，使用10%浓度的Nafion溶液，与二甲基乙酰胺按照2:1的比例配置，通过浓缩获得28%的浓缩液用于铸膜，膜厚更加均匀，性能相对稳定。
实施例3
采用400目的毛玻璃作为铸膜的模具；使用杜邦公司的20%浓度的Nafion溶液，与二甲基乙酰胺按照1:1的比例配置，通过浓缩获得33%的浓缩液用于铸膜；
将铸膜液用匀胶机均匀旋涂在模具表面，并置于真空干燥箱，经过60℃高温烘干处理，使得溶液固化成膜；
将毛玻璃片和膜置于去离子水中，在超声辅助作用下进行脱膜获得带有不规则微结构的离子聚合物薄膜2，如图2所示。
请参阅图3，以10微米厚铜箔用刻字机刻出电极层3，电极层3末端用排线连接器接入调理电路。组装时，请参阅图1，首先将双面胶层4和电极层3粘接在一起，电极层3上正电极点31的背面与双面胶层4接触，并粘接在双面胶层4的表面；在电极层3的上方放置离子交换树脂薄膜2，电极层3以施加物理预压力方式与离子交换树脂薄膜2结合，离子交换树脂薄膜2具有微结构的一面朝向电极层3，光面朝上；将阵列排布的正电极点31和共用接地电极310分别引线接入外接电路，最后在表面涂封热熔胶密封层1进行密封。
本实施例采用毛玻璃作为模具，模具更易获得且价格低，性价比好；使用杜邦公司的20%浓度的Nafion溶液，与二甲基乙酰胺按照1:1的比例配置，减少了浓缩时间；以10微米厚铜箔用刻字机刻出电极层，降低了电极制作成本，且电极更软，跟容易适用于不规则表面。
综上所述，本发明一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列及其制备方法，包括阵列电极层、离子交换树脂薄膜和密封层三部分；离子交换树脂薄膜一面光滑，一面具有上下表面积不等的不规则微结构，利用低成本粗糙表面为模板浇筑制成。由于使用离子交换树脂作为传感器材料，压力作用下能够产生电压信号，高灵敏度准确地感知待测压力大小，阵列电极识别受压位置，克服现有柔性压力传感器灵敏度低、噪声干扰大、阵列化困难的难题，实现了感应装置对压力大小和位置的感触功能，感应装置受力最大可产生30mv的电压响应。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列，其特征在于，从上至下依次包括密封层（1）、离子交换树脂薄膜（2）、电极层（3）和双面胶层（4）；离子交换树脂薄膜（2）朝向电极层（3）的一侧设置有上下表面面积不等的微结构，电极层（3）采用底面单侧布置，正负电极布置在离子交换树脂薄膜（2）的同侧；双面胶层（4）设置在待测物的表面，通过电极层（3）外接测试电路进行测试，电极层（3）上设置有正电极点（31）和共用接地电极（310），正电极点（31）包括多个，阵列设置在电极层（3）上形成阵列电极，每个正电极点（31）单独引线用于连接外部电路；
微结构包括棱台、金字塔、圆台或圆锥，离子交换树脂薄膜（2）上设置有凸起点或凹陷点；凸起最高点的厚度与离子交换树脂薄膜（2）的平均厚度之差为10~200μm；凹陷最低点的厚度与离子交换树脂薄膜（2）的平均厚度之差为10~200μm；相邻两凸起点或凹陷点之间的距离为10~400μm；
离子交换树脂薄膜（2）采用溶液铸膜方式制成，具体为：
以铜片或毛玻璃作为铸膜的模具，将浓度5%~20%的Nafion溶液与二甲基乙酰胺按照（1~4）:1的比例配置，通过浓缩获得25%~33%的铸膜液；将铸膜液涂布在模具表面，经60~80℃真空烘干处理得到膜；将铜片和膜置于去离子水中，在超声辅助作用下进行脱膜得到具有微阵列结构的离子聚合物薄膜。
2.根据权利要求1所述的单侧电极离子聚合物压力感知阵列，其特征在于，正电极点（31）的面积为0.2~20mm2，形状为圆形或方形，间距为0.2~5mm。
3.根据权利要求1所述的单侧电极离子聚合物压力感知阵列，其特征在于，共用接地电极（310）至少包括一个，共用接地电极（310）的形状为方形或圆形，面积大于等于20mm2，共用接地电极（310）距离最近的正电极点（31）的距离大于等于2厘米。
4.根据权利要求1所述的单侧电极离子聚合物压力感知阵列，其特征在于，电极层（3）的厚度为10~50μm，采用柔性fpc电路板制成，或者由柔性导电材料雕刻制成。
5.根据权利要求1所述的单侧电极离子聚合物压力感知阵列，其特征在于，密封层（1）采用环氧树脂材料、热熔胶、MX-3140有机硅胶或硫化硅橡胶制备而成。
6.一种制备权利要求1所述单侧电极离子聚合物压力感知阵列的方法，其特征在于，将双面胶层和电极层粘接在一起，电极层上的阵列电极背面与双面胶层的一侧接触；在电极层的上方放置离子交换树脂薄膜，离子交换树脂薄膜设置有微结构的一面朝向电极层，光面朝上，离子交换树脂薄膜的边缘用密封胶粘在电极层上；将正电极点和共用接地电极分别通过引线接入外接电路，最后在表面涂封密封层进行密封。
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