CN114235225A - 一种离电式柔性三轴力触觉传感器、制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离电式柔性三轴力触觉传感器、制备及应用，包括制备圆形的电极层和四个扇形构成的十字型电容电极层、PDMS环形垫圈、PVA/磷酸离子凝胶膜，将PVA/磷酸离子凝胶膜的上下面分别贴合上电极、下电极，下电极附在PET衬底上，上电极、下电极、PDMS环形垫圈粘合到一起；上电极附上半球形触头；上下电极与外部电路相连。本发明在减少电容式离电传感器产生的串扰的前提下，利用离子‑电极界面提供的超大单位面积电容实现了超高灵敏度、响应时间短、线性度好的电特性，具有较好的检测范围。
Description
技术领域
本发明属于柔性传感器领域一种高灵敏度的离电式柔性三轴力触觉传感器、 制备方法及应用。
背景技术
人工触觉传感广泛出现在柔性电子产品中，包括软电极、柔性传感器、可 穿戴式能量发生器和忆阻器设备。在这些最先进的电子设备中，柔性压力传感 器需要同时检测传感器表面上的法向和切向载荷。检测三维(3D)负载的各种 传感原理，包括压电、电阻、电容和光学技术触觉传感器，在涉及多维力检测 的状况下，压电、压阻式结构的触觉传感器不可避免地要面临多维力的解耦问 题，多维力的单元之间的串扰等问题，大大增加了数据后处理的难度。另一方 面，灵敏度和检测范围的局限性也限制了器件的大规模使用，而电容式结构则 可以利用自身的结构特点避免这个问题。当然，电容式触觉传感器也存在很多亟待解决的问题，如存在寄生电容、对噪声敏感、测量电路复杂等，需要对其 进行深入研究和优化改进。
长期以来，基于双电层(EDL)的超级电容器一直被用作储能设备，它依 赖于非常高的表面积，可在小封装中提供高能量密度。而离电式柔性压力传感 器利用电极和离子电解质之间的纳米级界面上产生的双电层(EDL)电容来实 现压力传感，比相当尺寸的传统平行板电容高数千倍，显著改善了器件的灵敏 度和信噪比。这种传感机制可以很好地抵抗环境噪声或人体电容性噪声，减小 寄生电容，这对于柔性压力传感器在可穿戴应用方面至关重要。
同时，在实际的触觉测量中，检测和区分法向和切向的外部刺激对于模拟 自然皮肤实现真正的人工智能触觉同样重要。这将为人造电子皮肤编码更有用 的信息，该皮肤将更接近自然触感，具有高水平的感知能力。
为解决目前多数触觉传感器存在触觉感知信息单一，灵敏度低，不具备柔 性以及可穿戴性差等弊端，提供一种可同时在法向和切向上精确测量复杂的触 觉力的离电传感器，实现高灵敏度、低反应时间、好的线性度，柔性人造皮肤 成为目前本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种柔性压力传感器及其制作方法，解决了目前柔性 压力传感器触觉感知信息单一，不具备柔性以及可穿戴性差的问题，实现了一 种超高灵敏度、响应时间短、线性度好的便携式柔性离电压力传感器，可广泛 使用在柔性电子设备中，满足生活及生产中的诸多需求。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种离电式柔性三轴力触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备图案化电极层：
将等离子体的PET薄膜预处理，在处理后的PET薄膜上采用丝网印刷工 艺刮涂导电银浆，分别得到圆形的电容电极层和四个扇形构成的十字型电容极 板对；烘干固化，分别得到上电极和下电极；
S2，制备PDMS环形垫圈：
将配制的PDMS介电层材料涂覆在设计有环形垫圈结构的PMMA模板上， 在真空条件下，分别在低速和高速下旋转，在恒温加热条件下使PDMS介电层 材料固化，得到PDMS环形垫圈；
S3，制备PVA/磷酸离子凝胶膜：
按照质量比为10:1将PVA溶液滴加到磷酸溶液中，得到PVA/磷酸混合溶 液；将混合溶液缓慢滴加至附着有PET薄膜的玻璃板上，加热固化，得到PVA/ 磷酸离子凝胶膜；
S4，封装电容式柔性压力传感器：
将PVA/磷酸离子凝胶膜的上下面分别贴合上电极和下电极上，下电极附在 PET衬底上，将上电极、下电极、PDMS环形垫圈粘合到一起；在上电极上表 面附上半球形触头；上下电极与外部电路相连，完成传感器制备。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，等离子体的PET薄膜预处理3～5min。
进一步，图案化的电极层烘干固化，加热温度为50～80℃，加热2～3h。
进一步，PDMS介电层材料为聚二甲基硅氧烷和固化剂道康宁184按照质 量比为(10～15)：1配制而成。
进一步，低速为300-600r/min和高速为1000～1200r/min各旋转8～10s。
进一步，在恒温70～90℃加热2～3h使PDMS介电层材料固化。
进一步，PVA/磷酸混合溶液为PVA溶液与磷酸溶液按照质量比10:1配制 而成；
PVA溶液浓度质量为1.0～1.2％，磷酸溶液质量为0.1～0.12wt％。
进一步，PVA/磷酸离子凝胶膜在75～85℃加热20～30min，再冷却固化后得 到。
本发明进而提供了一种上述方法制备的离电式柔性三轴力触觉传感器，包 括PET衬底、下电极、环形垫圈、上电极和半球形触头，所述下电极附在PET 衬底上，下电极和上电极分别附在离子凝胶膜上，环形垫圈粘合在下电极和上 电极的离子凝胶膜之间，半球形触头附在上电极上表面，上下电极与外部电路 相连接。
本发明与现有技术相比有以下优势：
1)本发明的触觉传感单元部分提出了一种呈“十”字型的上下电容极板对结 构设计，可兼备法向力与切向力感知功能，解决可穿戴传感器触觉感知信息单 一，不具备柔性以及可穿戴性差的问题。
2)本发明基于离子凝胶膜的离电效应，利用离子－电极界面提供的超大单 位面积电容实现了超高灵敏度的压力传感，是传统固态同类传感器的千倍，解 决了传统柔性压力传感器存在线性度差、灵敏度不足、响应速度慢等缺点。
3)本发明结构设计上，对电容极板层、介电层、设计进行了探索。在制备 方法上，本发明除了对微纳加工工艺的参数调整，还对介电层垫圈设计、离子 凝胶膜的设计和制备，层间贴合封装方式进行了探索，电容式三维力触觉传感 器具备良好的工作稳定性与高灵敏度，可抵抗环境噪声或人体电容性噪声，减 小寄生电容，为可穿戴式人工皮肤的研究提供了一种设计方案。
本发明所提供的工艺方法简单操作，成本较低，适合大规模生产化的需要。
本离电式柔性三轴力触觉传感器可以在人造电子皮肤可穿戴设备中应用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分， 并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明传感器的装配示意图；
图2(a)、图2(b)分别是本发明传感器的下电极和上电级示意图；
图3是本发明传感器的传感机理示意图；
图4是本发明传感器与普通的平行板电容器输出与施加法向力的关系曲线；
图5是本发明传感器在反复加载压力下的重复性试验。
图中：1、上电极；2、下电极；3、环形垫圈；4、离子凝胶膜；5、6、上、 下PET薄膜；7、纳米胶带；8、半球形触头；9、PET衬底。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性 实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明一种离电式柔性三轴力触觉传感器制备方法如下：
S1，制备图案化的电极：
PET薄膜等离子体处理：将PET薄膜裁剪成110X110mm的尺寸放入等 离子处理机的腔体内，将PET薄膜处理3～5min；
稀释导电银浆：另将导电银浆加入玻璃杯内，加入适量的开油水，充分混 合，至玻璃棒上的导电银浆可以拉丝流下。
将等离子体处理过的PET薄膜放置到丝网印刷模具的下方，将稀释后的导 电银浆涂抹到丝网印刷网孔图形的一侧，使用刮板在模板上重复刮涂，导电银 浆透过网孔印刷到底层PET薄膜上，然后将图案化的电容电极层在恒温加热台 上烘干，恒温加热台表面温度为50～80℃，加热2～3h可使导电银浆充分固化， 得到图案化的电极层。
图案化的电极层包括图案为圆形的上电极1和四个扇形构成的十字型电容 极板对的下电极2。
S2，制备PDMS环形垫圈：
将聚二甲基硅氧烷和固化剂道康宁184按照质量比为(10～15)：1配制 PDMS介电层材料，将适量的PDMS介电层材料涂覆在设计有环形垫圈结构的 PMMA模板中心，将模板放置在匀胶机内，使用真空吸附将PMMA模板固定， 在低速300-600r/min和高速1000～1200r/min各旋转8～10s，然后使用真空抽滤 系统抽取真空，抽取15～20min；然后放置在恒温加热台上，70～90℃条件下加 热2～3h，使PDMS充分固化，得到PDMS环形垫圈。
S3，制备PVA/磷酸离子凝胶膜：
配制浓度为1.0～1.2％的PVA溶液和浓度为0.1～0.12wt％磷酸溶液，按照质 量比为10:1将PVA溶液滴加到磷酸溶液中，得到PVA/磷酸混合溶液；将混合 溶液缓慢滴加至附着有PET薄膜的玻璃板上，流延至均匀平整后，75～85℃环 境下加热20～30min，自然冷却至常温，即得到PVA/磷酸离子凝胶膜。
S4，封装电容式柔性压力传感器：
将PVA/磷酸离子凝胶膜的一面贴合于图案为四个扇形的下电极的电容电 极层上，另一面贴合于圆形的上电极的电容电极层上，下电极附在PET衬底上， PET衬底厚度为20～30μm；使用厚度100μm的纳米胶带将上电极、下电极、 PDMS环形垫圈粘合到一起；同时，在上电极的电容电极层上表面附上半球形 触头8，以利于触觉感知；上下电极用FPC软排线与外部电路相连接，完成离 电压力传感器的制备。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明制备方法和效果。
实施例1
S1，制备图案化的电极：
PET薄膜等离子体处理：将PET薄膜裁剪成后放入等离子处理机的腔体内 处理5min；
将等离子体处理过的PET薄膜放置到丝网印刷模具的下方，将稀释后的导 电银浆涂抹到丝网印刷网孔图形上，重复刮涂，将图案化的电容电极层在温度 为60℃恒温加热台上加热2.5h，得到图案化的电极层。
S2，制备PDMS环形垫圈：
将聚二甲基硅氧烷和固化剂道康宁184按照质量比为10：1配制PDMS介 电层材料，将PDMS介电层材料涂覆在设计有环形垫圈结构的PMMA模板上， 在低速500r/min和高速1100r/min各旋转9s，真空抽滤20min；在恒温加热 80℃条件下加热2h，得到PDMS环形垫圈。
S3，制备PVA/磷酸离子凝胶膜：
配制浓度为1.0％的PVA溶液和浓度为0.1wt％磷酸溶液，按照质量比为 10:1将PVA溶液滴加到磷酸溶液中，得到PVA/磷酸混合溶液；将混合溶液缓 慢滴加至附着有PET薄膜的玻璃板上，在75℃加热30min，自然冷却至常温， 即得到PVA/磷酸离子凝胶膜。
S4，封装电容式柔性压力传感器：
将PVA/磷酸离子凝胶膜的一面贴合于图案为四个扇形的下电极的电容电 极层上，另一面贴合于圆形的上电极的电容电极层上，下电极附在PET衬底上， PET衬底厚度为20μm；使用厚度100μm的纳米胶带将上电极、下电极、PDMS 环形垫圈粘合到一起；在上电极的上表面附上半球形触头，上下电极用FPC软 排线与外部电路相连接。
测试得到本发明制备的传感器的灵敏度为1036.2％/mN，响应时间为40ms， 线性度为0.99。
实施例2
S1，制备图案化的电极：
PET薄膜等离子体处理：将PET薄膜裁剪成后放入等离子处理机的腔体内 处理4min；
将等离子体处理过的PET薄膜放置到丝网印刷模具的下方，将稀释后的导 电银浆涂抹到丝网印刷网孔图形上，重复刮涂，将图案化的电容电极层在温度 为50℃恒温加热台上加热3h，得到图案化的电极层。
S2，制备PDMS环形垫圈：
将聚二甲基硅氧烷和固化剂道康宁184按照质量比为12：1配制PDMS介 电层材料，将PDMS介电层材料涂覆在设计有环形垫圈结构的PMMA模板上， 在低速600r/min和高速1200r/min各旋转10s，真空抽滤15min；在恒温加热 90℃条件下加热2h，得到PDMS环形垫圈。
S3，制备PVA/磷酸离子凝胶膜：
配制浓度为1.2％的PVA溶液和浓度为0.12wt％磷酸溶液，按照质量比为 10:1将PVA溶液滴加到磷酸溶液中，得到PVA/磷酸混合溶液；将混合溶液缓 慢滴加至附着有PET薄膜的玻璃板上，在85℃加热20min，自然冷却至常温， 即得到PVA/磷酸离子凝胶膜。
S4，封装电容式柔性压力传感器：
将PVA/磷酸离子凝胶膜的一面贴合于图案为四个扇形的下电极的电容电 极层上，另一面贴合于圆形的上电极的电容电极层上，下电极附在PET衬底上， PET衬底厚度为25μm；使用厚度100μm的纳米胶带将上电极、下电极、PDMS 环形垫圈粘合到一起；在上电极的上表面附上半球形触头，上下电极用FPC软 排线与外部电路相连接。
测试得到本发明制备的传感器的灵敏度为956.2％/mN，响应时间为38ms， 线性度为0.99。
实施例3
S1，制备图案化的电极：
PET薄膜等离子体处理：将PET薄膜裁剪成后放入等离子处理机的腔体内 处理3min；
将等离子体处理过的PET薄膜放置到丝网印刷模具的下方，将稀释后的导 电银浆涂抹到丝网印刷网孔图形上，重复刮涂，将图案化的电容电极层在温度 为80℃恒温加热台上加热2h，得到图案化的电极层。
S2，制备PDMS环形垫圈：
将聚二甲基硅氧烷和固化剂道康宁184按照质量比为15：1配制PDMS介 电层材料，将PDMS介电层材料涂覆在设计有环形垫圈结构的PMMA模板上， 在低速300r/min和高速1000r/min各旋转8s，真空抽滤18min；在恒温加热70℃ 条件下加热3h，得到PDMS环形垫圈。
S3，制备PVA/磷酸离子凝胶膜：
配制浓度为1.1％的PVA溶液和浓度为0.11wt％磷酸溶液，按照质量比为 10:1将PVA溶液滴加到磷酸溶液中，得到PVA/磷酸混合溶液；将混合溶液缓 慢滴加至附着有PET薄膜的玻璃板上，在80℃加热25min，自然冷却至常温， 即得到PVA/磷酸离子凝胶膜。
S4，封装电容式柔性压力传感器：
将PVA/磷酸离子凝胶膜的一面贴合于图案为四个扇形的下电极的电容电 极层上，另一面贴合于圆形的上电极的电容电极层上，下电极附在PET衬底上， PET衬底厚度为30μm；使用厚度100μm的纳米胶带将上电极、下电极、PDMS 环形垫圈粘合到一起；在上电极的上表面附上半球形触头，上下电极用FPC软 排线与外部电路相连接。
测试得到本发明制备的传感器的灵敏度为901.9％/mN，响应时间为36ms， 线性度为0.99。
采用上述制备方法制备出了一种高灵敏度的柔性压力传感器。参考图1， 电容性柔性三轴力离电传感器，包括PET衬底9、上电极1、下电极2、环形垫 圈3和半球形触头8，上电极1和下电极2分别附在离子凝胶膜4上，环形垫 圈3采用纳米胶带7粘合在下电极2和上电极1的离子凝胶膜4之间，用于触 觉感知的半球形触头8附在上电极1上表面，上下电极用FPC软排线与外部电 路相连接，见图2(a)、图2(b)所示。
电容式柔性压力传感器的传感原理是将外界压力信号转化为电容的变化。 电容式压力传感器主要基于平行板电容器，电容大小由以下公式确定：
式中ε0为真空介电常数，ε0＝8.854×10-12F/m，εr为介电层的相对介电常数， d0为电极间的初始间隙，单位为m，S0为电极重叠面积，单位为m2。基于平行 板电容传感机制的传感器，可以通过改变平行电极重合面积、改变介电层材料、 改变电极间隙等方式来改进传感器的性能。
在本发明中，基于双电层理论的离电式压力传感主要利用了电极－离子界 面处形成的超大EDL电容来实现压力传感。如图3所示，在施加的测试电压下, 银电极C带上正电荷A或者负电荷D，在库仑力的吸引下，离子凝胶膜B中自 由移动的阴阳离子会运动到电极表面，从而构成双电层(EDL)，这是一种具有 纳米级厚度的界面电容器。在相同的测试电压下，外界压力载荷会改变电极和 离子凝胶膜实际接触面积，导致形成的EDL电容的改变，从而感知出压强的大 小，本发明在中间介电层引入PDMS环形垫圈和高弹性离子凝胶膜的设计，在 未施加外部压力的情况下，防止上下电极直接接触，减少相邻单元之间的串扰， 在施加压力过程中，环形垫圈可实现在压力施加过程中压力传感器的及时缓冲， 上下电极与离子凝胶膜相接触，利用离子－电极界面提供的超大单位面积电容 可实现超高灵敏度的压力传感。
以上的实施例只对本发明进行说明，但本发明并不限于本实施例，图案化 的电极尺寸大小和离子凝胶膜配比等可变化修改。我们在介电层实验不同的离 子膜，如图4所示，与传统的平行板电容器相比，制备的传感器在较宽范围内 具有超高灵敏度。如图5所示，制备的传感器恢复能力良好，基于离电压力传 感纸的压力传感器表现出了极髙的响应线性度、极高的器件灵敏度、较低的压 强检测阈值及机械稳定性。本发明制备的传感器的灵敏度不低于901.9％/mN， 响应时间不低于36ms，线性度为0.99。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领 域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一 些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种离电式柔性三轴力触觉传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制备图案化电极层：
将等离子体的PET薄膜预处理，在处理后的PET薄膜上采用丝网印刷工艺刮涂导电银浆，分别得到圆形的电极层和四个扇形构成的十字型电容极板对；烘干固化，分别得到上电极和下电极；
S2，制备PDMS环形垫圈：
将配制的PDMS介电层材料涂覆在设计有环形垫圈结构的PMMA模板上，在真空条件下，分别在低速和高速下旋转，在恒温加热条件下使PDMS介电层材料固化，得到PDMS环形垫圈；
S3，制备PVA/磷酸离子凝胶膜：
按照质量比为10:1将PVA溶液滴加到磷酸溶液中，得到PVA/磷酸混合溶液；将混合溶液缓慢滴加至附着有PET薄膜的玻璃板上，加热固化，得到PVA/磷酸离子凝胶膜；
S4，封装电容式柔性压力传感器：
将PVA/磷酸离子凝胶膜的上下面分别贴合上电极和下电极上，下电极附在PET衬底上，将上电极、下电极、PDMS环形垫圈粘合到一起；在上电极上表面附上半球形触头；上下电极与外部电路相连，完成离电式柔性三轴力触觉传感器制备。
2.根据权利要求1所述的离电式柔性三轴力触觉传感器的制备方法，其特征在于，等离子体的PET薄膜预处理3～5min。
3.根据权利要求1所述的离电式柔性三轴力触觉传感器的制备方法，其特征在于，图案化的电极层烘干固化，加热温度为50～80℃，加热2～3h。
4.根据权利要求1所述的离电式柔性三轴力触觉传感器的制备方法，其特征在于，PDMS介电层材料为聚二甲基硅氧烷和固化剂道康宁184按照质量比为(10～15)：1配制而成。
5.根据权利要求1所述的离电式柔性三轴力触觉传感器的制备方法，其特征在于，低速为300-600r/min和高速为1000～1200r/min各旋转8～10s。
6.根据权利要求1所述的离电式柔性三轴力触觉传感器的制备方法，其特征在于，在恒温70～90℃加热2～3h使PDMS介电层材料固化。
7.根据权利要求1所述的离电式柔性三轴力触觉传感器的制备方法，其特征在于，PVA/磷酸混合溶液为PVA溶液与磷酸溶液按照质量比10:1配制而成；
PVA溶液浓度质量为1.0～1.2％，磷酸溶液质量为0.1～0.12wt％。
8.根据权利要求1所述的离电式柔性三轴力触觉传感器的制备方法，其特征在于，PVA/磷酸离子凝胶膜在75～85℃加热20～30min，再冷却固化后得到。
9.一种权利要求1-8任一项所述方法制备的离电式柔性三轴力触觉传感器，其特征在于，包括PET衬底、下电极、环形垫圈、上电极和半球形触头，所述下电极附在PET衬底上，下电极和上电极分别附在离子凝胶膜上，环形垫圈粘合在下电极和上电极的离子凝胶膜之间，半球形触头附在上电极上表面，上下电极与外部电路相连接。
10.一种权利要求9所述离电式柔性三轴力触觉传感器在人造电子皮肤可穿戴设备中应用。
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