CN113820048B - 一种共形柔性力学传感网络及其印刷制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共形柔性力学传感网络及其印刷制备方法。所述共形柔性力学传感网络，包括柔性层与共形力敏导电层；所述柔性层由一个以上的分割柔性层组成；所述分割柔性层的形状与由目标曲面近似展开后的分割平面的形状一致；所述共形力敏导电层包括力敏传感单元；所述柔性层的一侧表面为第一表面；所述共形力敏导电层设在所述第一表面。本发明柔性层的形状与目标曲面近似展开后的平面形状一致，并且在柔性层上设计采集电路。柔性层各分割平面在空间回叠后可以与目标曲面很好的重叠，因此大大提高了柔性层上设置的传感器与待测物体表面的贴合度。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器领域，具体涉及一种共形柔性力学传感网络及其印刷制备方法。
背景技术
传统柔性传感器制备方法通常适用于规则曲面，与非规则曲面贴合度不够高，导致采集误差大。
例如申请公布号为CN111232914A的专利申请公开了一种柔性石墨烯关节传感器及其制各方法，其中柔性传感器的制备方法中包括转印步骤，制备操作步骤繁琐；且该申请虽然解决了的石墨烯关节传感器中使用的导线不具备可延展性的问题，提高了传感器的延展性，但若物体表面形状为复杂曲面，难以将制备好的柔性传感器覆盖于待测物体表面时，则存在传感器难以与物体完全贴合的问题，会导致采集误差较大。这里的复杂曲面指复杂的空间结构体的表面，通常具有曲率大，曲率变化不平滑，存在突变等情况。
除此之外，市面上有一种曲面光学传感器，但它的制备工艺是将传感器上的感光元件弯曲化，而复杂曲面往往存在某一部位的弯曲率和另一部位的弯曲率不同，而该方法很难把同一元件的不同部位弯曲成不同形状，因此其适用的场景也是比较规则的曲面，不能很好的适用于复杂曲面。
印刷式柔性薄膜力学传感器件一般采用均匀印刷的方式制备，例如申请公布号为201910418081.X的专利，器件采用分离式压阻工作原理，在压力作用下力敏电极与底电极之间接触面积变化而产生电阻变化，呈现为非线性响应，线性区域只集中在很窄的压力区间。器件在全量程区间非线性响应是另一个需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的与非规则复杂曲面贴合度不够高的不足，提供一种能够很好的适用于复杂曲面的共形柔性力学传感网络及其印刷制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种共形柔性力学传感网络，包括柔性层与共形力敏导电层；
所述柔性层由一个以上的分割柔性层组成；所述分割柔性层的形状与由目标曲面近似展开后的分割平面的形状一致；所述共形力敏导电层包括力敏传感单元；所述柔性层的一侧表面为第一表面；所述共形力敏导电层设在所述第一表面的部分区域。
优选地，所述共形柔性力学传感网络，还包括基底层、采集电路层以及胶合间隔层；采集电路层为印刷式环状叉指银电极；所述基底层的一侧表面为第二表面，第二表面上设有与力敏传感单元位置相对应的环状叉指银电极；所述胶合间隔层位于柔性层的第一表面与基底层的第二表面之间，且位于力敏传感单元和环状叉指电极区域外；柔性层的第一表面具有微纳结构；共形力敏导电层为碳纳米复合材料。
优选地，未受力时，所述共形力敏导电层与采集电路层间形成微米空腔，传感网络处于关闭状态；微米空腔高度是微纳结构高度的2～5倍。
优选地，所述基底层为可覆盖于目标曲面的衬底薄膜，包括但不限于PDMS或TPU薄膜。
优选地，所述力敏传感单元为圆形，每个力敏传感单元的导电层的导电性沿径向向外梯度增加。
优选地，所述目标曲面为非规则物体的表面，所述非规则物体包括但不限于机械臂或智能座垫。
一种共形柔性力学传感网络印刷制备方法，包括以下步骤：
S1，通过近似展开的办法将目标曲面展开为一个以上的分割平面，记作近似展开平面；
S2，按照近似展开平面的形状裁剪柔性材料，制作柔性层；所述柔性层的一侧表面为第一表面；所述柔性层包括一个以上的分割柔性层；所述分割柔性层的形状与对应的分割平面的形状一致；
S3，采用碳纳米材料导电浆料和梯度丝网印刷工艺，在第一表面印刷共形力敏导电层；所述共形力敏导电层包括力敏传感单元，所述梯度丝网是指在力敏传感单元对应位置处设置有沿径向向外梯度分布的孔径。
优选地，所述传感网络印刷制备方法，还包括以下步骤：
S4，准备印刷有采集电路层的基底层；所述采集电路层包括环状叉指银电极；通过胶合间隔层将印刷有共形力敏导电层的柔性层与印刷有采集电路层的基底层相贴合；柔性层设置有共形力敏导电层的一面与基底层设置有采集电路层的一面相对。
优选地，所述目标曲面通过三维激光扫描或3D模拟软件建模获取；所述近似展开采用基于高斯曲率公式的方法进行，并对柔性层和/或基底层的平面尺寸进行弧面角度补偿。
优选地，步骤S1前将由规则物体组合形成的待测物体分解为多个规则物体，分别根据规则物体需覆盖传感网络的表面制备传感网络。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、分割展开设计，传感网络易于通过平面印刷方式制备，降低制备难度；同时保证复杂曲面共面形贴装；
2、本发明提出分割平面的尺寸进行弧面角度补偿，解决大角度弧面产生的柔性层和基底层尺寸不一致的问题，保证了弧面共形贴装后不产生两层间的错位而实现精准对位贴装。
3、传感网络化设计，可以根据实际应用需求进行传感点位密度布置；
4、力敏传感单元采用导电性径向梯度丝网印刷工艺，解决分离式柔性力学传感器非线性力学响应的问题，提高传感网络的线性响应能力；
5、基底层设有共形力敏导电层的第一表面采用微纳结构，提升传感网络的灵敏度。
附图说明：
图1为本发明示例性实施例1的传感网络的示意图；
图2为本发明示例性实施例1的传感网络的受力示意图；
图3为本发明示例性实施例1的环状叉指电极结构示意图；
图4为本发明示例性实施例1的导电梯度印刷示意图；
图5为本发明示例性实施例2的传感网络制备方法流程图；
图6为本发明示例性实施例3的球体近似展开示意图；
图7为本发明示例性实施例3的球体的采集电路印刷示意图；
图8为本发明示例性实施例3的球体传感网络制备完成效果图；
图9为本发明示例性实施例4的某一协作机器人机械臂某部位外壳结构示意图；
图10为本发明示例性实施例4的某一协作机器人机械臂某部位外壳结构的部分元件近似展开示意图；
图11为本发明示例性实施例4的采集电路印刷示意图。
图中标记：1-柔性层，2-胶合间隔层，3-微纳结构，4-共形力敏导电层，5-采集电路，6-基底层，7-空腔。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种共形柔性力学传感网络，包括柔性层1、共形力敏导电层4；
所述柔性层1由一个以上的分割柔性层组成；所述分割柔性层的形状与由目标曲面近似展开后的分割平面的形状一致；所述共形力敏导电层4包括力敏传感单元；所述柔性层1的一侧表面为第一表面；所述共形力敏导电层4设在所述第一表面的部分区域。
本实施例所述的柔性层1可以为皮革等柔性材料；需设置传感网络的待测物体表面为目标曲面。目标曲面依据曲率变化(曲率较大或曲率突变点)近似展开为一个以上的分割平面，例如某一机械臂的某一节是由一个半球体和圆柱体组合而成，则其表面的展开形状应该包括圆柱体的展开图形和半球体的展开图形。依照分割平面的形状处理分割柔性层，使柔性层1的形状与目标曲面近似展开后的平面形状一致。并且在柔性层1上印刷共形力敏导电层4，所述共形力敏导电层4包括力敏传感单元。由于柔性层1各分割平面空间回叠后可以与目标曲面很好的重叠，因此大大提高了柔性层1上设置的力敏传感单元与待测物体表面的贴合度，解决了现有的柔性薄膜传感器不能很好的覆盖于复杂的非规则曲面的待测物体表面，存在传感器难以与物体完全贴合的问题。柔性层包括多个分割柔性层时，多个分割柔性层设置的力敏传感单元通过连接引线与处理电路主板相连，以采集分析每个力敏传感单元所受压力值。
示例性的，传感网络还包括基底层6、采集电路层5以及胶合间隔层2；采集电路层5为印刷式环状叉指银电极；所述基底层6的一侧表面为第二表面，第二表面上设有与力敏传感单元位置相对应的环状叉指银电极；所述胶合间隔层2位于柔性层1的第一表面与基底层6的第二表面之间，且位于力敏传感单元和环状叉指银电极区域外；柔性层1的第一表面具有微纳结构；共形力敏导电层为碳纳米复合材料。未受力时，所述共形力敏导电层4与采集电路层5间形成微米空腔7，此时传感网络处于关闭状态，空腔高度是微纳结构高度的2～5倍。空腔高度的计算方式需与微纳结构高度的计算方式相对应，例如空腔高度指共形力敏导电层4与采集电路层5间的最大距离(例如图1中的b)时，微纳结构高度指微纳结构的最低点与最高点间的距离(例如图1中的a)；除此之外空腔高度还可以指共形力敏导电层4与采集电路层5之间的距离的平均值，则微纳结构高度指微纳结构表面的点(例如图1中的A点)与微纳结构最低点(例如图1中的B点)间的距离的平均值。
未受力时，所述共形力敏导电层4与采集电路层5间未接触。受力时，如图2所示，柔性层1发生弹性形变；当压力达到一定值，共形力敏导电层4与采集电路层5接触，力敏传感单元开启；随着压力增加，力敏传感单元与环状叉指银电极接触面积增加，接触电阻减小，当环状叉指银电极两端加载一定电压时，输出电流随着压力的增加而增加；当压力增加到力敏传感单元与环状叉指银电极已完全闭合，输出电流将不再增加，传感单元达到最大量程。
示例性的，所述柔性层1的第一表面具有微纳结构，如纤维组织或绒毛组织。微纳结构可以提升整个传感网络的灵敏度。
示例性的，柔性层和基底层的材质可以为皮革、弹性聚合物、塑料、纤维编织物中的任意一种。其中皮革成本低，而且具有纤维组织或者绒毛结构等微纳结构；若柔性层的材质为皮革，则选用皮革的纤维组织或者绒毛结构的一面为柔性层的第一表面，在其上印刷共形力敏导电层，可以增加传感灵敏度；若基底层的材质为皮革，则选择皮革较为光滑的皮面为基底层的第二表面，贴合度好。
所述基底层6可以为目标曲面，即需设置传感网络的待测物体表面。在目标曲面可以直接设置环状叉指银电极时，可以直接在目标曲面上设置环状叉指银电极，并将设有共形力敏导电层4的柔性层1通过胶合间隔层2贴合于目标曲面。除此之外，某些情况下不可以在目标曲面直接设置环状叉指银电极，则基底层6不可以为目标曲面，此时基底层为可覆盖于目标曲面的衬底薄膜，包括但不限于PDMS或TPU薄膜。
其中，共形力敏导电层的形状包括但不限于网状、阵列状以及树枝状；对一个复杂结构体的表面，可以根据它的形状特点在不同部位设置不同的网络形状，各种形状之间可以相互组合。采集电路层的叉指电极形状与力敏传感单元的形状相关，例如若力敏传感单元为圆形，则叉指电极为环状叉指银电极。
示例性的，所述力敏传感单元为圆形，每个力敏传感单元的导电性沿径向向外梯度增加。如图3或图4所示，通过基于导电性沿径向向外梯度增加的方式印刷力敏传感单元，可以提升传感网络的线性度。导电梯度印刷工艺的过程如下：将石墨烯与炭黑填料以质量比1：3的比例填入到PDMS浆料中，超声搅拌混合均匀；然后加入固化剂后，搅拌均匀，得到碳纳米材料导电油墨；然后进行丝印工序，采用丝印机将碳纳米材料导电油墨印刷于柔性层的微纳结构表面，导电梯度印刷通过丝印机的丝印网板中网孔孔径的变化来实现；在电阻低的位点处网孔孔径大，过墨量多，成膜较厚；在电阻高的位点处网孔孔径小，过墨量少，成膜薄；在丝印工序后，将材料放置于烘箱中，80摄氏度下烘烤30分钟。基于导电梯度印刷，使单个力敏传感单元中心部位的导电性能大于边缘部位导电性能，对应的中心部位的电阻率小于边缘部位的电阻率。当外界力F作用在传感网络上，致使相对应的力敏传感单元与环状叉指银电极进行贴合；此时，因为胶合间隔层的存在，导致环状叉指银电极的中心部位先于边缘部位，与力敏传感单元进行贴合。随着外界力F增大，贴合面积逐渐增大，且由于力敏传感单元是基于导电梯度印刷获得的，可以使贴合处的电阻值与作用力F之间呈线性变化关系，提高了力敏传感单元的线性度。通过导电梯度印刷制成的圆形力敏传感单元成薄膜状，其电阻R与半径r的函数关系式如下，表述为R＝k/(r+r0)，其中r≥0，k的取值范围为5～10KΩ·mm，r0＝1mm。
本实施例所述的传感网络可应用于机械臂包裹式皮肤、智能座垫等非规则表面的物体。采用本实施例所述的传感网络可以实现与机器人等不规则物体表面的完美贴合，提高检测的准确度。特别的，所述传感网络为力学传感网络，用于检测压力等，以便机器人准确与外界交互。例如机器人可以通过力学传感网络识别检测位置的受力情况，在人触碰不同位置时，做出不同的反应。
实施例2
如图5所示，本实施例提供一种传感网络制备方法，包括以下步骤：
S1，通过近似展开的办法将目标曲面展开为一个以上的分割平面，记作近似展开平面；
S2，按照近似展开平面的形状裁剪柔性材料，制作柔性层；所述柔性层的一侧表面为第一表面；所述柔性层包括一个以上的分割柔性层；所述分割柔性层的形状与对应的分割平面的形状一致；
S3，依据梯度丝网印刷工艺，在第一表面采用碳纳米材料导电浆料印刷共形力敏导电层；所述共形力敏导电层包括力敏传感单元；所述梯度丝网是指在力敏传感单元对应位置处设置有沿径向向外梯度分布的孔径。
通过近似展开的办法可以将复杂空间立构体的表面展开为平面，使得印刷了共形力敏导电层的柔性层各分割平面在空间回叠后可以与目标曲面很好的重叠，因此大大提高了柔性层上设置的力敏传感单元与待测物体表面的贴合度。除此之外，采用碳纳米材料导电浆料依据梯度印刷工艺印刷共形力敏导电层，可以提高力敏传感单元的线性度。
示例性的，传感网络制备方法还包括以下步骤：
S4，准备印刷有采集电路层的基底层；所述采集电路层包括环状叉指银电极；通过胶合间隔层将印刷有共形力敏导电层的柔性层与设置有与印刷有采集电路层的基底层相贴合；柔性层设置有共形力敏导电层的一面与基底层设置有采集电路层的一面相对。
若基底层为目标曲面，则上述步骤按照共面形贴装的方式进行连接；若基底层不是目标曲面，则基底层的形状与柔性层一致，传感网络制备好后再通过共面形贴装的方式与目标曲面贴合。
设置传感网络的待测物体表面为目标曲面，由于柔性层的形状与目标曲面近似展开后的平面形状一致，因此柔性层各分割平面在空间回叠后可以与目标曲面很好的重叠，因此大大提高了柔性层上设置的力敏传感单元与待测物体表面的贴合度，提高采集电路的准确性。
示例性的，通过三维激光扫描或3D模拟软件建模获取所述目标曲面。工业制品设计生产时，通常需要采用3D模拟软件绘制模型，可以直接利用设计待测物体时绘制模型来获取目标曲面。若仅有待测物体实物，则可三维激光扫描或3D模拟软件建模等方式获取所述目标曲面。通过本实施例所述的制备方法制备的传感网络可以与待测物体很好贴合，提高检测的准确度，即使待测物体是球面、半球面等复杂曲面。
示例性的，采用基于高斯曲率公式的方法进行近似展开。
若采根据近似展开的目标曲面制作柔性层或基底层，则柔性层或基底层贴合到目标曲面上时会存在一定误差，当目标半径较大且柔性层基底层的厚度较小时，该误差的影响不大；但当目标为小半径物体或柔性层基底层的厚度较厚时，误差会非常明显，对共形柔性力学传感网络贴合度的影响较大。
示例性的，对柔性层1和/或基底层6的分割平面尺寸进行弧面角度补偿。以柔性层为例，补偿值为θ·d，其中θ为幅面角度，d为补偿距离。当基底层6可以为目标曲面时，柔性层的补偿距离d为柔性层1的第一表面到基底层6的第二表面的距离；当基底层6与柔性层1组合后贴合于目标曲面时，柔性层1的补偿距离d为柔性层1的第一表面到基底层6远离柔性层的表面的距离。柔性层和/或基底层分割平面的尺寸进行弧面角度补偿，解决大角度弧面产生的柔性层和基底层尺寸不一致的问题，保证了弧面共形贴装后不产生两层间的错位而实现精准对位贴装。
实施例3
本实施例将结合球体简述传感网络印刷制备方法。
通过高斯曲率公式将球体近似展开为如图6c)所示图案的多个分割平面，所有的分割平面记作近似展开平面；
按照近似展开平面的形状裁剪柔性材料，制作柔性层；所述柔性层的一侧表面为第一表面；
按照图7所示，球体的分割柔性层以球体的极端相连的方式铺陈，在第一平面上印刷力敏传感单元；
准备印刷有环状叉指银电极的基底层；通过连接线连接环状叉指银电极与力敏传感单元；通过胶合间隔层将设置有力敏传感单元的柔性层与设置有与力敏传感单元位置相对应的环状叉指银电极的基底层相连；柔性层设置有力敏传感单元的一面与基底层设置有环状叉指银电极的一面相对。
通过上述方式制备的传感网络，如图7所示覆盖球体。
实施例4
本实施例将以某一由规则物体组合形成的待测物体为例简述传感网络印刷制备方法。
待测物体为多个规则物体组合形成时，将其分解为多个规则物体；分别根据规则物体需覆盖传感网络的表面制备印刷传感网络。
例如图8所示的某一协作机器人机械臂某部位外壳结构，以实线圈出的地方为例简述传感网络制备方法；
通过3D模拟软件可将目标曲面近似展开成如图9所示图案的近似展开平面；根据图9所示的近似展开平面制作柔性层；再如图10所示，将力敏传感单元印刷至柔性层上；准备印刷有环状叉指银电极的基底层；通过连接线连接环状叉指银电极与力敏传感单元；通过胶合间隔层将设置有力敏传感单元的柔性层与设置有与力敏传感单元位置相对应的环状叉指银电极的基底层相连；柔性层设置有力敏传感单元的一面与基底层设置有环状叉指银电极的一面相对。
采用上述方法制备机器人机械臂某部位外壳结构的各部分的传感网络，实现在此机器人外壳上的复杂曲面上覆盖传感网络。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种共形柔性力学传感网络，其特征在于，包括柔性层(1)与共形力敏导电层(4)；
所述柔性层(1)由一个以上的柔性分割层组成；所述柔性分割层的形状与由目标曲面展开后的分割平面的形状一致；所述共形力敏导电层(4)包括力敏传感单元；所述柔性层(1)的一侧表面为第一表面；所述共形力敏导电层(4)设在所述第一表面的部分区域；
所述力敏传感单元为圆形，每个力敏传感单元的导电层的导电性沿径向向外梯度增加；
还包括基底层(6)、采集电路层(5)以及胶合间隔层(2)；采集电路层(5)为印刷式环状叉指银电极；所述基底层(6)的一侧表面为第二表面，第二表面上设有与力敏传感单元位置相对应的印刷式环状叉指银电极；所述胶合间隔层(2)位于柔性层(1)的第一表面与基底层(6)的第二表面之间，且位于力敏传感单元和印刷式环状叉指银电极区域外；柔性层(1)的第一表面具有微纳结构；共形力敏导电层为碳纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的共形柔性力学传感网络，其特征在于，未受力时，所述共形力敏导电层(4)与采集电路层(5)间形成微米空腔(7)，传感网络处于关闭状态；微米空腔高度是微纳结构高度的2～5倍。
3.根据权利要求2所述的共形柔性力学传感网络，其特征在于，所述基底层为能覆盖于目标曲面的衬底薄膜，包括PDMS或TPU薄膜。
4.根据权利要求1所述的共形柔性力学传感网络，其特征在于，所述目标曲面为非规则物体的表面，所述非规则物体包括机械臂或智能座垫。
5.一种共形柔性力学传感网络印刷制备方法，其特征在于，用于制备如权利1-4任一项所述的共形柔性力学传感网络，包括以下步骤：
S1，通过展开的办法将目标曲面展开为一个以上的分割平面，记作展开平面；
S2，按照展开平面的形状裁剪柔性材料，制作柔性层；所述柔性层的一侧表面为第一表面；所述柔性层包括一个以上的柔性分割层；所述柔性分割层的形状与对应的分割平面的形状一致；
S3，采用碳纳米材料导电浆料和梯度丝网印刷工艺，在第一表面印刷共形力敏导电层；所述共形力敏导电层包括力敏传感单元，梯度丝网是指在力敏传感单元对应位置处设置有沿径向向外梯度分布的孔径。
6.根据权利要求5所述的传感网络印刷制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S4，准备印刷有采集电路层的基底层；所述采集电路层包括印刷式环状叉指银电极；通过胶合间隔层将印刷有共形力敏导电层的柔性层与印刷有采集电路层的基底层相贴合；柔性层设置有共形力敏导电层的一面与基底层设置有采集电路层的一面相对。
7.根据权利要求6所述的传感网络印刷制备方法，其特征在于，所述目标曲面通过三维激光扫描或3D模拟软件建模获取；所述展开采用基于高斯曲率公式的方法进行，并对柔性层和/或基底层的平面尺寸进行弧面角度补偿。
8.根据权利要求5所述的传感网络印刷制备方法，其特征在于，步骤S1前将由规则物体组合形成的待测物体分解为多个规则物体，分别根据规则物体需覆盖传感网络的表面制备传感网络。
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