CN113280955B - 一种具有切向力各向异性响应的柔性传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于柔性传感器相关技术领域，其公开了一种具有切向力各向异性响应的柔性传感器及其制备方法，所述柔性传感器包括上电极、柔性多孔介电层及下电极，所述柔性多孔介电层设置在所述上电极与所述下电极之间；所述柔性多孔介电层在结构上具有各向异性，其包括多层条状微孔结构，相邻两层条状微孔结构正交设置。所述柔性传感器是可对正向力和切向力同时灵敏的传感器，利用柔性传感器在受到不同方向的力时的各向异性反应，使得传感器根据受力时的反应模态可以较好地反应出受力大小和受力方向，同时该柔性传感器的多孔结构可以有效提高传感器的灵敏度。

Description

一种具有切向力各向异性响应的柔性传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于柔性传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种具有切向力各向异性响应的柔性传感器及其制备方法。
背景技术
柔性传感器作为一类快速发展的传感器，具有一些刚性传感器无法比拟的特点，传统的刚性传感器由于其无法变形，整体刚度大，不能很好地顺形等特点，在具体的实际应用中，特别是传感器集成，仍存在一些问题。柔性传感器则能够较好地弥补刚性传感器在这一方面的缺陷。特别地，柔性压力传感器实现在刚性机器人或是软体机器人上的集成后，能够较好地帮助机器人产生触感，实现与周围环境的交互。另一方面，柔性传感器所使用的材料通常对人体无害，具有很好的生物相容性，因此在生物医疗方面的应用也十分可观。
柔性压力传感器在近些年得到了较为快速的发展，但在实际应用中也存在不足。许多传感器的研究集中于提高压力传感器的正向灵敏度，但缺乏对切向力的检测功能。实际上，在外界提供的刺激中，切向力所能提供的信息与正向力同样丰富，特别是对一些动态力的感知中，切向力起着至关重要的作用。也有一些传感器实现了正、切向力同时测量的功能，但他们通常由多组电极组成，导致结构和工艺复杂。或者存在同时对正向力和切向力敏感的传感器，它在各个方向上受力时，响应具有一致性，实际使用中无法通过信号变化判断所受的是什么方向的力，力的大小是多少，因此找到一种能够实现力的方向测量的简便的传感器方案显得十分有意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有切向力各向异性响应的柔性传感器及其制备方法，所述柔性传感器是可对正向力和切向力同时灵敏的传感器，利用柔性传感器在受到不同方向的力时的各向异性反应，使得传感器根据受力时的反应模态可以较好地反应出受力大小和受力方向，同时该柔性传感器的多孔结构可以有效提高传感器的灵敏度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有切向力各向异性响应的柔性传感器，所述柔性传感器包括上电极、柔性多孔介电层及下电极，所述柔性多孔介电层设置在所述上电极与所述下电极之间；
所述柔性多孔介电层在结构上具有各向异性，其包括多层条状微孔结构，相邻两层条状微孔结构正交设置。
进一步地，每层条状微孔结构包括多个间隔设置的条状微孔，相邻两层条状微孔结构的微孔沿其自身长度方向的横截面的形状不同。
进一步地，所述柔性传感器还包括上电极基底及下电极基底，所述上电极及所述下电极分别设置在所述上电极基底及所述下电极基底上。
进一步地，所述上电极基底及所述下电极基底的材料均为聚二甲基硅氧烷。
进一步地，所述上电极及所述下电极的材料为导电织物；所述柔性多孔介电层的材料为Ecoflex0030和碳纳米管的混合物。
进一步地，当待测的力为二维力时采用两个所述柔性传感器，且两个所述柔性传感器以正交方式堆叠设置。
进一步地，当待测的力为三维力时采用三个所述柔性传感器，且三个所述柔性传感器以交错方式堆叠设置。
按照本发明的另一方面，提供了一种具有切向力各向异性响应的柔性传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：采用模具制备所述柔性多孔介电层，并采用硅胶将上电极基底、上电极、所述柔性多孔介电层、下电极及下电极基底胶合在一起以得到所述柔性传感器；其中，所述模具与所述柔性多孔介电层为互补反结构。
进一步地，所述模具是以能水溶解的PVA为原材料打印得到的。
进一步地，将碳纳米管以质量占比0.3wt％的比例分别混合至Ecoflex0030的A液和B液中，确保碳纳米管混合均匀后，将Ecoflex0030的A液和B液的混合物再次混合，并搅拌至混合均匀，此时得到Ecoflex0030和碳纳米管混合物的前驱液；接着，将该模具浸没入该Ecoflex0030和碳纳米管混合物的前驱液中，然后放入仪器中抽真空10分钟；待抽真空后将所述模具固化及进行水解以得到所述柔性多孔介电层。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的具有切向力各向异性响应的柔性传感器及其制备方法主要具有以下有益效果：
1.所述柔性多孔介电层在结构上具有各向异性，其包括多层条状微孔结构，相邻两层条状微孔结构正交设置，使得传感器对切向力的响应也具有各向异性，这种各向异性的响应使得传感单元可以通过上下层叠的方式检测所受力的方向。
2.使用了各向异性多孔结构，相邻两层条状微孔结构的微孔沿其自身长度方向的横截面的形状不同，有利于有效地改善传感器的灵敏度，提高传感器的性能，并实现对不同方向力的不同响应。
3.操作成功率高，使用的材料成本较低，工艺上统一使用硅胶粘合，实现了传感阵列的集成，因此传感器的鲁棒性较好，可靠性高。
4.在使用本传感进行力的方向和大小的感知时，可将多个相同的传感器堆叠，实现多维力的大小和方向的感知。
附图说明
图1是本发明提供的具有切向力各向异性响应的柔性传感器的结构示意图；
图2中的(a)、(b)分别是本发明提供的具有切向力各向异性响应的柔性传感器的两个正交方向的示意图；
图3是图1中的两个具有切向力各向异性响应的柔性传感器的检测模式示意图；
图4是图1中的三个具有切向力各向异性响应的柔性传感器的检测模式示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-上电极基底，2-上电极，3-柔性多孔介电层，4-下电极，5-下电极基底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图2，本发明提供的具有切向力各向异性响应的柔性传感器，所述柔性传感器为层状结构，其包括自上而下设置的上电极基底1、上电极2、柔性多孔介电层3、下电极4及下电极基底5，所述柔性多孔介电层3在结构上具有各向异性，其设置有多层条状微孔结构。每层条状微孔结构包括多个间隔设置的条状微孔，相邻两层条状微孔结构正交设置，且相邻两层条状微孔结构的微孔沿其自身长度方向的横截面形状不同。
所述上电极基底1和所述下电极基底5的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，所述上电极2及所述下电极4所用的材料为可方便购买获得的导电织物，所述柔性多孔介电层3使用的材料为Ecoflex0030和碳纳米管的混合物。
本实施方式中，所述柔性多孔介电层3具有贯通的长条形微孔，这些微孔沿自身长度方向的横截面为长方形，同时这些微孔在结构上采用层状的分布方式。相邻层的微孔在方向上相互正交，在其中一个方向上的微孔，其截面的长方形更为扁平，在截面为更扁平的长方形方向上，柔性多孔介电层表现出的孔隙率更小，从而表现出结构上的各向异性。
所述上电极基底1及所述下电极基底5也可以采用其他的材料，如聚酰亚胺(PI)或是直接使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PEI)等，此处使用PDMS因其方便后续直接使用硅胶粘合。
本发明还提供了一种具有切向力各向异性响应的柔性传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一，制备柔性多孔介电层的制备模具。
具体地，使用3D打印机和可溶性打印耗材，使用可水溶解的PVA为原材料，打印出层状的相邻两层之间相互正交的的各向异性多孔结构的反结构的模具。该模具在结构上是所制造的柔性多孔介电层的互补反结构。
步骤二，在模具中形成所需的柔性多孔介电层。
具体地，将碳纳米管以质量占比0.3wt％的比例分别混合至Ecoflex0030的A液和B液中。确保碳纳米管混合均匀后，将Ecoflex0030的A液和B液的混合物再次混合，并搅拌至混合均匀，此时得到Ecoflex0030和碳纳米管混合物的前驱液。
将所打印的可溶性PVA模具浸没入该Ecoflex0030和碳纳米管混合物的前驱液中，然后放入仪器中抽真空约10分钟。抽完真空后，将其取出，放入烘箱中固化10分钟，此时Ecoflex0030和碳纳米管的混合物成为固态。将该固态混合物放入水中，加热至100℃并加热搅拌，直至可溶性模具完全溶解，此时便得到了柔性多孔介电层，为方便后续使用将其放入烘箱中烘干。
此处的可溶性模具也可以换成其他具有相同性质的材料，如其他水溶性材料或是有机溶剂可溶的材料等。可溶性模具具有与柔性多孔介电层相反的结构，同时采用层状的方式方便成型，同时也方便这种各向异性结构的制造。柔性多孔介电层材料也可直接使用Ecoflex0030或是其他系列的方便成型的软材料。
步骤三，采用硅胶将上电极基底、上电极、柔性多孔介电层、下电极及下电极基底粘合在一起，以得到所述柔性传感器。
具体地，最后在制得上电极基底1、上电极2、柔性多孔介电层3、下电极4和下电极基底5之后，使用硅胶将各个部分按照顺序一一粘合在一起便得到最后的对正向力和切向力同时灵敏的柔性传感器，同时该传感器对于切向力还具有各向异性。
在使用过程中，向所述柔性传感器施加法向的正压力时，中间的柔性多孔材介电层被挤压变形，同时由于中间为多孔结构，有效减小了中间介电层的刚度，上电极与下电极之间的间距可观地减小，从而传感器的电容增大，实现正向力的测量。
当所述柔性传感器施加切向力时，则分为三种情况：
当施加的切向力平行于孔隙率更大的视图方向时，柔性多孔介电层横向切变变形，此时上电极相对下电极也发生水平移动，从而使得电容发生变化，实现对切向力的检测。
当施加的切向力平行于孔隙率更小的视图方向时，柔性多孔介电层横向切变变形则十分的微小，此时上电极相对下电极发生水平移动的也十分微小，从而使得电容发生变化也更小，在这个方向上的切向力对传感器的电容变化不明显。
当施加的切向力平行于其他的任意方向时，柔性多孔介电层横向切变变形则处于上述两种情况的中间水平，此时上电极相对下电极发生水平移动的也处于上述两种情况的中间水平，从而使得电容发生变化也处于上述两种情况的中间水平，在这个方向上的切向力对传感器的电容变化处于上述两种情况的中间水平。
对于已知的仅受一维力的情况，力的方向已知，单个传感器足以实现对正向或是切向力的测量。
对于已知的受到二维力的情况，此时力的方向由于是二维的，因此单个传感器无法实现有效的测量。将两个相同的传感器如图3所示的方式堆叠。两传感器小孔隙率的视图相互正交。此时以受到二维的纯切向力为例。当堆叠传感器受到平行于上传感器小孔隙率方向的切向力时，上传感器的电容变化并不明显，而此时下传感器变化则尤为明显。当堆叠传感器受到平行于下传感器小孔隙率方向的切向力时，下传感器的电容变化并不明显，而此时上传感器变化则尤为明显。当堆叠传感器受到平行于其他任意方向的力时，上、下传感由于它们正交放置的方式，会有不同程度的电容变化响应，特别地，当与小孔隙率方向呈45°时，上下两传感器的电容变化相同。这样，通过反解上下两个传感器的电容变化值，便能很好的实现二维力的测量。
需要说明的是，基于上述原理，两传感器的小孔隙率方向只要不重合，便能实现二维力的大小和方向的检测。
对于已知的受到三维力的情况，此时力的方向由于是三维的，因此两个传感器也无法实现有效的测量。将三个相同的传感器如图4所示的方式堆叠。三个传感器的小孔隙率视图的夹角互为60°，此时以空间中的三个相互正交的单位力为例，当单位法向力施加在传感器上时，三个传感器的电容响应完全相同。但施加了切向力时，由两传感器方案的原理可知，三个传感器的电容变化则不相同。因此，事实上，对于空间中三个相互正交的单位力，三个传感器的响应是线性无关的。所以对于空间上的任何力，都能通过反解三个传感器的电容变化值，便能很好的实现三维力的测量。
需要说明的是，基于上述原理，三传感器的小孔隙率方向只要不重合，便能实现三维力的大小和方向的检测。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有切向力各向异性响应的柔性传感器，其特征在于：
所述柔性传感器包括上电极、柔性多孔介电层及下电极，所述柔性多孔介电层设置在所述上电极与所述下电极之间；
所述柔性多孔介电层在结构上具有各向异性，其包括多层条状微孔结构，相邻两层条状微孔结构正交设置；每层条状微孔结构包括多个间隔设置的条状微孔，相邻层的微孔在方向上相互正交；其中条状微孔为贯通孔，且其沿垂直于所述柔性多孔介电层的中心轴的方向设置。
2.如权利要求1所述的具有切向力各向异性响应的柔性传感器，其特征在于：相邻两层条状微孔结构的微孔沿其自身长度方向的横截面的形状不同。
3.如权利要求1-2任一项所述的具有切向力各向异性响应的柔性传感器，其特征在于：所述柔性传感器还包括上电极基底及下电极基底，所述上电极及所述下电极分别设置在所述上电极基底及所述下电极基底上。
4.如权利要求3所述的具有切向力各向异性响应的柔性传感器，其特征在于：所述上电极基底及所述下电极基底的材料均为聚二甲基硅氧烷。
5.如权利要求1-2任一项所述的具有切向力各向异性响应的柔性传感器，其特征在于：所述上电极及所述下电极的材料为导电织物；所述柔性多孔介电层的材料为Ecoflex0030和碳纳米管的混合物。
6.如权利要求1-2任一项所述的具有切向力各向异性响应的柔性传感器，其特征在于：当待测的力为二维力时采用两个所述柔性传感器，且两个所述柔性传感器以正交方式堆叠设置。
7.如权利要求1-2任一项所述的具有切向力各向异性响应的柔性传感器，其特征在于：当待测的力为三维力时采用三个所述柔性传感器，且三个所述柔性传感器以交错方式堆叠设置。
8.一种具有切向力各向异性响应的柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：采用模具制备柔性多孔介电层，并采用硅胶将上电极基底、上电极、所述柔性多孔介电层、下电极及下电极基底胶合在一起以得到所述柔性传感器；其中，所述模具与所述柔性多孔介电层为互补反结构。
9.如权利要求8所述的具有切向力各向异性响应的柔性传感器的制备方法，其特征在于：所述模具是以能水溶解的PVA为原材料打印得到的。
10.如权利要求8所述的具有切向力各向异性响应的柔性传感器的制备方法，其特征在于：将碳纳米管以质量占比0.3wt％的比例分别混合至Ecoflex0030的A液和B液中，确保碳纳米管混合均匀后，将Ecoflex0030的A液和B液的混合物再次混合，并搅拌至混合均匀，此时得到Ecoflex0030和碳纳米管混合物的前驱液；接着，将该模具浸没入该Ecoflex0030和碳纳米管混合物的前驱液中，然后放入仪器中抽真空10分钟；待抽真空后将所述模具固化及进行水解以得到所述柔性多孔介电层。
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