CN114545423A - 一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列。包括上下叠层的具有金字塔凸台的PDMS上封装层、超声感知阵列、超声感知阵列基底层、柔性压敏感知阵列、柔性压敏感知阵列基底层和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层；交流电下，超声感知阵列发射超声波，经物体反射后接收；压力传递到柔性压敏感知阵列上；具有金字塔凸台的PDMS上封装层与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层形成互锁定位结构。本发明保证超声感知检测精度，解决了下压过程中超声感知的干扰问题，减小PVDF敏感层单元的热通量，提高超声感知功能的灵敏度和成像精度，受环境影响小，检测精度高，检测距离远。

Description

一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列

技术领域

本发明涉及一种柔性传感器，具体涉及一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列。

背景技术

随着机器人领域的迅猛发展，将柔性化的传感器集成在智能机器人上使其具有感知能力，将传统的单向开环人工操作转变为双向闭环的人机交互过程，提升了机器人执行复杂精细任务的能力，推动了人机环境的共融交互，在应用上存在着巨大的潜力。

机器人对感知能力的需求，不仅包括接触感知能力，还包括非接触感知能力。接触感知能力使机器人获得丰富的物体表面信息，进而为机器人执行任务提供数据支持和反馈。非接触感知主要有两方向应用，其一是安全检测，比较突出的是当即将要发生碰撞时，及时停止设备，进而保护操作者的安全；第二种应用方向是在抓取方面，非接触感知可以首先检测物体的形状，判断所需的抓取手势，同时还可以保证机械人的多个手指同时触碰被抓取物，以提高抓取的准确度，避免进行物体操纵之前的非必要移动。传统上实现非接触感知的手段是视觉检测，这种检测方式对远距离的大目标有非常好的优势，但是当检测范围缩小到50cm以下时，视觉检测开始出现问题，可能存在被物体遮挡，从而导致检测失败的问题，特别是当检测距离进一步缩小到10cm以下的接近区，这种问题更加剧烈。另外，视觉检测受环境影响大，精度低也限制了其在近距离方向的应用。因此，在成熟的柔性触觉传感器的基础上，集成非接触感知能力是有必要的。目前已经被报道的具有接触与非接触感知能力的柔性传感器中，非接触感知能力的实现主要借助磁场、电场、摩擦电、湿度场等原理。其中磁场原理只能检测磁性物体；电场原理主要是采用电容原理，但是影响电容的因素较多，使得应用受限；摩擦电原理和湿度场原理的检测距离小，受环境影响大。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列。

本发明采用超声波进行近距离感知，避免磁场原理只能检测磁性物体的问题，同时受环境影响小，检测精度高，检测距离远；采用压阻原理进行压力感知，原理简单，制造方便，灵敏度高。两种感知功能可以同时工作，引入金字塔互锁定位结构，使得超声感知不被干扰，保证超声感知检测精度，解决了下压过程中超声感知的干扰问题，发射并接收超声波的PVDF敏感层单元采用同心圆结构设计，使超声波可以进行多频工作的同时，减小发射并接收超声波的 PVDF敏感层单元的热通量，提高超声感知功能的灵敏度和成像精度。

本发明采用的技术方案是：

一、一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列：

所述的柔性复合式传感阵列包括从上到下依次叠层分布的具有金字塔凸台的PDMS上封装层、超声感知阵列、超声感知阵列基底层、柔性压敏感知阵列、柔性压敏感知阵列基底层和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层；在交流电的作用下，超声感知阵列利用逆压电效应发射超声波，经外界物体反射后由超声感知阵列接收并输出电压信号；当有外界压力施加在柔性复合式传感阵列时，外界压力经具有金字塔凸台的PDMS上封装层和超声感知阵列基底层传递到柔性压敏感知阵列上，使柔性压敏感知阵列产生并输出压力信号；具有金字塔凸台的PDMS上封装层与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层形成互锁定位结构。

超声感知阵列基底层和柔性压敏感知阵列基底层均具有完整覆盖的面积。

所述的超声感知阵列与超声感知阵列基底层上表面紧密贴合，所述的超声感知阵列由超声感知阵列上电极层、发射并接收超声波的PVDF敏感层、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块、超声感知阵列下电极层组成；

超声感知阵列上电极层是由N行×N列阵列排布的超声感知上电极单元构成，发射并接收超声波的PVDF敏感层是由N行×N列阵列排布的PVDF敏感单元构成，超声感知阵列下电极层是由N行×N列阵列排布的超声感知下电极单元构成，每个超声感知上电极单元和一个PVDF敏感单元、一个超声感知下电极单元从上到下依次层叠贴合在一起构成一个超声感知单元，多个超声感知单元在超声感知阵列基底层上表面排布形成均匀间隔的N行×N列的阵列结构；

超声感知上电极单元都引出一根电极线，共N×N根电极线，N×N个超声感知下电极单元相串联共引出一根电极线，通过每个超声感知上电极单元的电极线与超声感知下电极单元的电极线连接到外围电路分别采集各个超声感知单元反馈的超声感知信号，超声感知上电极单元所引出的电极线和超声感知下电极单元所引出的电极线之间的交叉处设置圆形绝缘隔离块进行绝缘阻隔；超声感知阵列上电极层、超声感知阵列下电极层和发射并接收超声波的PVDF敏感层形成闭合回路，超声感知阵列上电极层和超声感知阵列下电极层的电极线之间通以交流电，通过逆压电效应，发射并接收超声波的PVDF敏感层将电能转化为机械振动，从而激发超声波。

不同的超声感知单元的工作频率不同，也可以相同。优选的是频率不同。

所述的柔性压敏感知阵列与柔性压敏感知阵列基底层上表面紧密贴合,所述的柔性压敏感知阵列由石墨烯图案阵列、柔性压敏感知阵列下电极层、柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块、柔性压敏感知阵列上电极层组成；

石墨烯图案阵列是由N行×N列阵列排布的石墨烯单元构成，每个石墨烯单元都有两个输出引脚，同行的N个石墨烯单元的一个输出引脚通过柔性压敏感知下电极的电极线串联组成一组石墨烯单元组，同列的N个石墨烯单元的另一个输出引脚通过柔性压敏感知下电极的电极线串联组成一组石墨烯单元组，共N+N组，每组石墨烯单元组经各自引一根电极线，将电极信号集中经此根电极线输出，共有N+N根电极线，采用行列扫描方式采集柔性压敏感知阵列的压力感知信号；柔性压敏感知上电极层的电极线和柔性压敏感知下电极层的电极线之间的交叉处设置柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块进行绝缘阻隔。

每个石墨烯单元和柔性压敏感知下电极层电极线连接之后构成一个压力感知单元，多个压力感知单元在柔性压敏感知阵列基底层上表面排布形成均匀间隔的N行×N列的阵列结构。

具有金字塔凸台的PDMS上封装层与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层中均包括相同N行×N列均匀阵列排列的单元格，与超声感知阵列中的超声感知单元和柔性压敏感知阵列中的压力感知单元阵列排布相对齐一致；每个单元格中，具有金字塔凸台的PDMS上封装层底面具有多个金字塔凸台，具有金字塔凹槽的PDMS下封装层底面具有多个金字塔凹槽，金字塔凸台和金字塔凹槽一一对应布置且相互嵌套配合，金字塔凸台和金字塔凹槽均位于未设有超声感知单元处，但位于压力感知单元处，下压金字塔凸台使得仅将超声感知阵列基底层、柔性压敏感知阵列、柔性压敏感知阵列基底层被压嵌入到金字塔凹槽中。

所述的发射并接收超声波的PVDF敏感层中的发射并接收超声波的PVDF 敏感层单元采用同心圆结构分布，分为内圈、内环和外环三部分，当发射并接收超声波的PVDF敏感层单元外加交流电时，内圈、内环和外环三部分产生不同频率的超声波。

每个单元格中，PVDF敏感单元设置是由同心布置的一个圆形区域、一对小弧形区域和一对大弧形区域构成，圆形区域位于中心，一对小弧形区域和一对大弧形区域各自均是由位于同一圆周、且对称在圆形区域两侧的两个弧形区域构成，一对小弧形区域所在的圆周直径小于一对大弧形区域所在的圆周直径，超声感知上电极单元和一个超声感知下电极单元均是由呈8字形的电极图案，电极图案经过于PVDF敏感单元的一对小弧形区域和一对大弧形区域，电极图案在中间设置跨桥区域，跨桥区域经过于圆形区域；同时设置四个在棱形的四角排布的金字塔凸台或金字塔凹槽，其中位于棱形对称两角的两个金字塔凸台/金字塔凹槽分别位于PVDF敏感单元的一对小弧形区域所在的圆周上的空缺处。

所述的超声感知阵列上电极层和超声感知阵列下电极层中电极面积的覆盖率达到PVDF敏感层中敏感材料面积的2/3，能够提高发射并接收超声波的PVDF 敏感层电能转化为机械能的效率，增加超声波的发射灵敏度。

所述的PVDF敏感层由PVDF材料混合ZnO制成。

所述的石墨烯图案阵列由硅橡胶混合石墨烯纳米片制成。

所述的超声感知阵列中的超声感知阵列上电极层、超声感知阵列下电极层和柔性压敏感知阵列中的柔性压敏感知阵列下电极层、柔性压敏感知阵列上电极层均由银纳米导电颗粒与硅橡胶复合制成。

本发明采用超声原理和压阻原理分别实现接触与非接触感知功能，其中超声原理具有检测距离远，检测精度高，可以检测任何物体，且受环境影响小等优点，用于以非接触的手段实现对物体周围信息或内部信息的检测；压阻原理结构简单，制造方便，灵敏度高，用于以接触的方式实现对物体表面信息的检测。空间分布上，采用金字塔互锁定位结构，在提高柔性压敏感知阵列变形的同时，与超声感知阵列错位排布，减小超声感知和压力感知检测信号之间的干扰。

本发明PVDF敏感层单元采用同心圆的分区域结构分布，降低发射并接收超声波的PVDF敏感层单元的能量耗散，并可以进行超声波多频工作，提高超声感知功能的灵敏度和超声成像精度。

二、一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列的制作方法：

包括以下步骤

1)制作模具和丝网印刷版

利用光固化3D打印机制造具有金字塔凸台的PDMS上封装层和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层的模具；利用激光加工的方法制造具有图案化凹槽的超声感知阵列上电极层丝网印刷版、超声感知阵列下电极层丝网印刷版、发射并接收超声波的PVDF敏感层丝网印刷版、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版、柔性压敏感知阵列下电极层丝网印刷版、石墨烯图案阵列丝网印刷版、柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版、柔性压敏感知阵列上电极层丝网印刷版；

2)制作封装层和基底层

将PDMS液体材料与固化剂混合后在行星搅拌机中搅拌，脱泡处理后得到 PDMS复合材料，将PDMS复合材料注入到预先准备的的具有金字塔凸台的 PDMS上封装层和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层的模具，然后放置在真空干燥箱中，在室温下静置脱泡，取出后在加热台上固化，完全固化后从模具中剥离得到具有金字塔凸台的PDMS上封装层和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层；将配置好并经过脱泡处理后的PDMS复合材料旋涂在玻璃基地上，加热台上固化后得到柔性薄膜，使用激光切割机得到超声感知阵列基底层和柔性压敏感知阵列基底层；

3)配置超声感知阵列、柔性压敏感知阵列中敏感层和电极层材料

将PVDF粉末溶解在二甲基甲酰胺溶液后，与ZnO和四氢呋喃进行超声混合分散，形成质地均匀的混合溶液后，将混合溶液放在加热台上搅拌以促使四氢呋喃挥发得到粘稠状PVDF复合材料，并将粘稠状PVDF复合材料放入极化装置中进行极化，使粘稠状PVDF复合材料呈现出压电性，之后用于制作发射并接收超声波的PVDF敏感层；将石墨烯纳米片、硅橡胶和四氢呋喃混合后在行星搅拌机中搅拌得到粘稠状石墨烯复合材料，用于制作石墨烯图案阵列；将银纳米片、硅橡胶、聚乙烯吡咯烷酮和四氢呋喃混合进行超声分散后，在加热台上加热并搅拌使四氢呋喃溶液挥发得到粘稠状银纳米片复合材料；

4)制作超声感知阵列

将超声感知阵列下电极层丝网印刷版、发射并接收超声波的PVDF敏感层丝网印刷版、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版和超声感知阵列上电极层丝网印刷版分别依次单个对齐紧贴超声感知阵列基底层，并分别用银纳米片复合材料、PVDF复合材料、PDMS复合材料、银纳米片复合材料刮添到一一对应的丝网印刷版图案化凹槽中，每次剥离丝网印刷版后，移动到加热台上固化之后再进行下一层的刮添；

5)制作柔性压敏感知阵列

将石墨烯图案阵列丝网印刷版、柔性压敏感知阵列下电极层丝网印刷版、柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版和柔性压敏感知阵列上电极层丝网印刷版分别依次单个对齐紧贴柔性压敏感知阵列基底层，并分别用银纳米片复合材料、石墨烯复合材料、PDMS复合材料、银纳米片复合材料刮添到一一对应的丝网印刷版图案化凹槽中，每次剥离丝网印刷版后，移动到加热台上固化之后再进行下一层的刮添；

6)制作柔性复合式传感阵列

将具有金字塔凸台的PDMS上封装层、超声感知阵列、超声感知阵列基底层、柔性压敏感知阵列、柔性压敏感知阵列基底层、具有金字塔凹槽的PDMS 下封装层之间的连接表面进行等离子活化处理，之后在光学显微镜下各层之间对齐贴近，压实加热后封装完成。

本发明的有益效果是：

本发明采用超声原理和压阻原理分别实现接触与非接触感知功能，其中超声原理具有检测距离远，检测精度高，可以检测任何物体等优点；压阻原理结构简单，制造方便，灵敏度高。空间分布上，采用金字塔互锁定位结构，在提高柔性压敏感知阵列变形的同时，与超声感知阵列错位排布，减小超声感知和压力感知检测信号之间的干扰。发射并接收超声波的PVDF敏感层单元采用同心圆结构分布，降低发射并接收超声波的PVDF敏感层单元的能量耗散，并可以进行超声波多频工作，提高超声感知功能的灵敏度和超声成像精度。

附图说明

图1是本发明柔性复合式传感阵列的分层结构爆炸示意图；

图2是具有金字塔凸台的PDMS上封装层俯视图；

图3是具有金字塔凹槽的PDMS下封装层俯视图；

图4是双层金字塔凸台与凹槽互锁定位结构的原理说明图；

图5是超声感知阵列电极布线俯视图；

图6的(a)是超声感知阵列上电极层丝网印刷版示意图；

图6的(b)是超声感知阵列下电极层丝网印刷版示意图；

图6的(c)是发射并接收超声波的PVDF敏感层丝网印刷版示意图；

图6的(d)是超声感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版示意图；

图6中，黑色区域是空白的，是丝网印刷版的外型；白色区域是制作出产物，是丝网印刷版的材料所在，是镂空的。

图7是柔性压敏感知阵列电极布线俯视图；

图8的(a)是柔性压敏感知阵列下电极层丝网印刷版示意图；

图8的(b)是石墨烯图案阵列丝网印刷版示意图；

图8的(c)是柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版示意图；

图8的(d)是柔性压敏感知阵列上电极层丝网印刷版示意图；

图8中，黑色区域是空白的，白色区域是制作出产物。

图9是具有金字塔凸台的PDMS上封装层模具的结构示意图；

图10是具有金字塔凹槽的PDMS下封装层模具的结构示意图；

图中：1、具有金字塔凸台的PDMS上封装层，2、超声感知阵列，3、超声感知阵列基底层，4、柔性压敏感知阵列，5、柔性压敏感知阵列基底层，6、具有金字塔凹槽的PDMS下封装层，7、超声感知阵列上电极层，8、发射并接收超声波的PVDF敏感层，9、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块，10、超声感知阵列下电极层，11、石墨烯图案阵列，12、柔性压敏感知阵列下电极层，13、柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块，14、柔性压敏感知阵列上电极层，15、超声感知单元，16、超声感知阵列上电极层丝网印刷版，17、超声感知阵列下电极层丝网印刷版，18、发射并接收超声波的PVDF敏感层丝网印刷版，19、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版，20、压力感知单元，21、柔性压敏感知阵列下电极层丝网印刷版，22、石墨烯图案阵列丝网印刷版，23、柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版，24、柔性压敏感知阵列上电极层丝网印刷版，25、具有金字塔凸台的PDMS上封装层模具，26、具有金字塔凹槽的PDMS下封装层模具，27、发射并接收超声波的PVDF敏感层单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，柔性复合式传感阵列包括从上到下依次叠层分布的具有金字塔凸台的PDMS上封装层1、超声感知阵列2、超声感知阵列基底层3、柔性压敏感知阵列4、柔性压敏感知阵列基底层5和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层6；在交流电的作用下，超声感知阵列2利用逆压电效应发射超声波，经外界物体反射后由超声感知阵列2接收并输出电压信号；当有外界压力施加在柔性复合式传感阵列时，外界压力经具有金字塔凸台的PDMS上封装层1和超声感知阵列基底层3传递到柔性压敏感知阵列4上，使柔性压敏感知阵列4产生并输出压力信号；具有金字塔凸台的PDMS上封装层1与具有金字塔凹槽的PDMS 下封装层6形成互锁定位结构，在下压感知下对超声感知阵列2减小干扰，从而实现对超声感知阵列2和柔性压敏感知阵列4的同时准确检测。

如图1和图5所示，超声感知阵列2与超声感知阵列基底层3上表面紧密贴合，超声感知阵列2由超声感知阵列上电极层7、发射并接收超声波的PVDF 敏感层8、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块9、超声感知阵列下电极层10组成；

超声感知阵列上电极层7是由N行×N列阵列排布的超声感知上电极单元构成，发射并接收超声波的PVDF敏感层8是由N行×N列阵列排布的PVDF 敏感单元构成，超声感知阵列下电极层10是由N行×N列阵列排布的超声感知下电极单元构成，每个超声感知上电极单元和一个PVDF敏感单元、一个超声感知下电极单元从上到下依次层叠贴合在一起构成一个超声感知单元15，多个超声感知单元15在超声感知阵列基底层3上表面排布形成均匀间隔的N行×N 列的阵列结构；

超声感知上电极单元都引出一根电极线，共N×N根电极线，N×N个超声感知下电极单元相串联共引出一根电极线，通过每个超声感知上电极单元的电极线与超声感知下电极单元的电极线连接到外围电路分别采集各个超声感知单元15反馈的超声感知信号，超声感知上电极单元所引出的电极线和超声感知下电极单元所引出的电极线之间的交叉处设置超声感知阵列2的圆形绝缘隔离块9 进行绝缘阻隔；超声感知阵列上电极层7、超声感知阵列下电极层10和发射并接收超声波的PVDF敏感层8形成闭合回路，超声感知阵列上电极层7和超声感知阵列下电极层10的电极线之间通以交流电，通过逆压电效应，发射并接收超声波的PVDF敏感层8将电能转化为机械振动，从而激发超声波。

具体地，一个超声感知单元15内的超声感知上电极单元和超声感知下电极单元之间通入交流电，超声感知上电极单元和超声感知下电极单元形成电容，交流电施加到电容上激发了PVDF敏感单元，将电能转化为机械能产生振动进而发出超声波，超声波经具有不同声阻抗的外界物体反射，回到PVDF敏感单元上，使得PVDF敏感单元自身的振动发生减弱或者增加，根据PVDF敏感单元自身的振的情况获得减弱或者增加的结果，进而获得外界物体的超声感知信号。

通常下压会拉伸变形超声感知的结构，产生工作的检测精度减低，金字塔互锁定位结构能够保持超声波强度，避免了两层在被拉伸时产生干扰的问题。

不同的超声感知单元15的工作频率不同可以相同。优选的是频率不同。

如图1和图7所示，柔性压敏感知阵列4与柔性压敏感知阵列基底层5上表面紧密贴合,柔性压敏感知阵列4由石墨烯图案阵列11、柔性压敏感知阵列下电极层12、柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块13、柔性压敏感知阵列上电极层14组成；

石墨烯图案阵列11是由N行×N列阵列排布的石墨烯单元构成，每个石墨烯单元都有两个输出引脚，同行的N个石墨烯单元的一个输出引脚通过柔性压敏感知下电极的电极线串联组成一组石墨烯单元组，同列的N个石墨烯单元的另一个输出引脚通过柔性压敏感知下电极的电极线串联组成一组石墨烯单元组，共N+N组，每组石墨烯单元组经各自引一根电极线，将电极信号集中经此根电极线输出，共有N+N根电极线，采用行列扫描方式采集柔性压敏感知阵列4的压力感知信号，用于输出柔性压敏感知阵列4产生的压力信号；柔性压敏感知上电极层14的电极线和柔性压敏感知下电极层12的电极线之间的交叉处设置柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块13进行绝缘阻隔。

每个石墨烯单元和柔性压敏感知下电极层电极线连接之后构成一个压力感知单元20，多个压力感知单元20在柔性压敏感知阵列基底层5上表面排布形成均匀间隔的N行×N列的阵列结构。

柔性压敏感知上电极没有与石墨烯单元连接，柔性压敏感知上电极只是柔性压敏感知下电极断掉的那部分，作用是为了加入绝缘隔离块，让电极线交叉的地方不发生信号的串扰。在压力感知层这块，电极只有一层，如果电极线图案设计的没有交叉的地方，那电极层只有柔性压敏下电极层这一层，这点和超声感知层是不同的，超声感知层的上下加电极用于加交流电产生超声波，压力感知这块只需要石墨烯单元和电极线连接组成闭合回路，用于测即可。如图7 所示，是3行3列共引出6根电极线，其中第1、3、5是同列石墨烯单元组成引出的电极线，第2、4、6是同行石墨烯单元组成引出的电极线。

具有金字塔凸台的PDMS上封装层1、超声感知阵列基底层3、柔性压敏感知阵列基底层5和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层6作为结构支撑，超声感知阵列上电极层7、超声感知阵列下电极层10、柔性压敏感知阵列下电极层12 均与外围电路连接，通过超声感知阵列上电极层7的每根电极线与超声感知阵列下电极层10的电极线分别采集各个超声感知单元15反馈的超声感知信号，采用行列扫描方式采集柔性压敏感知阵列4的压力感知信号。

如图2和图3和图4所示，具有金字塔凸台的PDMS上封装层1与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层6中均括相同N行×N列均匀阵列排列的单元格，与超声感知阵列2中的超声感知单元15和柔性压敏感知阵列4中的压力感知单元20阵列排布相对齐一致；每个单元格中，具有金字塔凸台的PDMS上封装层 1底面具有多个金字塔凸台，具有金字塔凸台的PDMS下封装层6底面具有多个金字塔凹槽，金字塔凸台和金字塔凹槽一一对应布置且相互嵌套配合，即一个金字塔凸台位于各自唯一对应的一个金字塔凹槽正上方，金字塔凸台和金字塔凹槽均位于未设有超声感知单元15处，但位于压力感知单元20处，下压金字塔凸台使得仅将超声感知阵列基底层3、柔性压敏感知阵列4、柔性压敏感知阵列基底层5被压嵌入到金字塔凹槽中，这样形成金字塔互锁定位结构。

一个金字塔凸台内下压到一个金字塔凹槽中后，这个金字塔凸台和这个金字塔凹槽之间的单个压力感知单元20及其上下面的超声感知阵列基底层3、柔性压敏感知阵列基底层5均被嵌压变形，压力感知单元20产生较大变形，使得石墨烯图案阵列的电阻变化更大，检测到的信号更强，压力感知的灵敏度更高。

而超声感知单元15的工作如果发生变形，会产生正压电效应，将机械能转变为电能，影响超声感知阵列2的输出电压信号，从而导致超声感知单元15的检测精度大大降低，本发明通过上述金字塔互锁定位结构降低了下压变形对超声感知单元15的影响，降低了超声感知单元15的干扰，

同时压力下压，在按压过程中，金字塔互锁定位结构能使得柔性压敏感知阵列4内部的电极之间不发生平面上的相对偏离，如图4所示。

发射并接收超声波的PVDF敏感层8中的发射并接收超声波的PVDF敏感层单元27采用同心圆结构分布，分为内圈、内环和外环三部分，当发射并接收超声波的PVDF敏感层单元27外加交流电时，内圈、内环和外环三部分产生不同频率的超声波，实现超声的多频状态工作，提高超声成像精度。

发射并接收超声波的PVDF敏感层单元27采用同心圆结构分布，减小发射并接收超声波的PVDF敏感层单元27的热通量，降低发射并接收超声波的PVDF 敏感层单元27的能量耗散，以提高超声感知功能的灵敏度和精度。

如图6所示，每个单元格中，PVDF敏感单元设置是由同心布置的一个圆形区域、一对小弧形区域和一对大弧形区域构成，圆形区域位于中心，一对小弧形区域和一对大弧形区域各自均是由位于同一圆周、且对称在圆形区域两侧的两个弧形区域构成，一对小弧形区域所在的圆周直径小于一对大弧形区域所在的圆周直径，超声感知上电极单元和一个超声感知下电极单元均是由呈8字形的电极图案，电极图案经过于PVDF敏感单元的一对小弧形区域和一对大弧形区域，电极图案在中间设置跨桥区域，跨桥区域经过于圆形区域.

如图9和图10所示，具有金字塔凸台的PDMS上封装层和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层同时设置四个在棱形的四角排布的金字塔凸台或金字塔凹槽，其中位于棱形对称两角的两个金字塔凸台/金字塔凹槽分别位于PVDF敏感单元的一对小弧形区域所在的圆周上的空缺处。

这样使得上下同位排布的单元格中的金字塔凸台或凹槽结构之间形成互锁，并与超声感知阵列2错位排布，与柔性压敏感知阵列4上下同位排布。当外界压力作用在柔性复合式传感阵列上时，经具有金塔凸台的PDMS上封装层1和超声感知阵列基底层3将压力传递到石墨烯图案阵列11，使石墨烯图案阵列11 发生拉伸变形，以改变石墨烯图案阵列11内部的导电率，进而改变石墨烯图案阵列11的电阻，结果将压力信号转变为经柔性压敏感知阵列下电极层12电极线输出的电阻变化信号，同时由于金字塔结构与超声感知阵列2的错位排布，极大程度上减小压力对超声感知阵列2产生的正压电效应。

超声波的机械振动产生热量，由此通过上述的PVDF敏感单元的分块形状设计，能够其中的减弱能量的损耗，减小每个分块区域中的热通量，进而提高超声感知功能的灵敏度和成像精度。

发射并接收超声波的PVDF敏感层发射的超声波没有指向性，正反面都会产生相同的超声波，超声感知阵列基底层、柔性压敏感知阵列和柔性压敏感知阵列基底层的声阻抗远高于空气，超声感知阵列基底层3、柔性压敏感知阵列4 和柔性压敏感知阵列基底层5作为超声感知阵列2的背衬，吸收超声感知阵列2 产生的反向超声波，降低超声成像中伪影的影响。

超声感知具体是利用PVDF材料的逆压电效应产生超声波，使用非接触的方式检测物体周围信息或内部信息；压力感知具体是利用压敏材料受拉时，内部电导率变化进而引起电阻的变化，使用接触的方式检测物体表面信息。

超声感知阵列上电极层7和超声感知阵列下电极层10中电极面积的覆盖率达到PVDF敏感层8中敏感材料面积的2/3，能够提高发射并接收超声波的PVDF 敏感层8电能转化为机械能的效率，增加超声波的发射灵敏度。

柔性复合式传感阵列中，具有金字塔凸台的PDMS上封装层1、超声感知阵列基底层3、柔性压敏感知阵列基底层5和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层6由PDMS复合材料制成。

PVDF敏感层8由PVDF材料混合ZnO制成，ZnO的加入大大增加PVDF 材料的压电性能。

石墨烯图案阵列11由硅橡胶混合石墨烯纳米片制成。

超声感知阵列2中的超声感知阵列上电极层7、超声感知阵列下电极层10 和柔性压敏感知阵列4中的柔性压敏感知阵列下电极层12、柔性压敏感知阵列上电极层14均由银纳米导电颗粒与硅橡胶复合制成，制作过程中加入聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂。

超声感知阵列2中的圆形绝缘隔离块9和柔性压敏感知阵列4中的圆形绝缘隔离块13均由PDMS复合材料制成。

如图1和图5所示，超声感知阵列2由超声感知阵列上电极层7、发射并接收超声波的PVDF敏感层8、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块9、超声感知阵列下电极层10组成，并与超声感知阵列基底层3紧密贴合，各层之间的厚度均为 100um；超声感知阵列上电极层7和超声感知阵列下电极层10中电极面积的覆盖率达到发射并接收超声波的PVDF敏感层8中敏感材料面积的2/3；超声感知阵列上电极层7、发射并接收超声波的PVDF敏感层8和超声感知阵列下电极层10贴合在一起时的相同特定区域构成一个超声感知单元15。超声感知具体是利用PVDF材料的逆压电效应产生超声波，使用非接触的方式检测物体周围信息或内部信息。

具体实施中，超声感知阵列2中的各层之间的厚度均为100um。超声感知阵列上电极层7和超声感知阵列下电极层10中电极面积的覆盖率达到发射并接收超声波的PVDF敏感层8中敏感材料面积的2/3。

多个超声感知单元15在超声感知阵列基底层3上表面排布形成均匀间隔的 3行×3列的阵列结构，相邻单元之间的中心距离为16mm；超声感知阵列上电极层7中每个单元都引出一根电极线，共9根电极线，超声感知阵列下电极层 10中单元与单元之间相互串联，共引出1根电极线，上下电极层10根电极线并排排布，电极线宽度为0.5mm,末端排列间隔为0.5mm；超声感知阵列上电极层 7和超声感知阵列下电极层10的电极线之间的交叉处设置超声感知阵列的圆形绝缘隔离块9进行绝缘阻隔，超声感知阵列的圆形绝缘隔离块9的直径为2mm。

发射并接收超声波的PVDF敏感层8包括九个呈3×3均匀排列的发射并接收超声波的PVDF敏感层单元2组成。

具体实施中，柔性压敏感知阵列4中的各层之间的厚度均为100um；多个压力感知单元20在柔性压敏感知阵列基底层5上表面排布形成均匀间隔的3行×3列的阵列结构，相邻单元之间的中心距离为16mm；石墨烯图案阵列11中每个单元都有两个方形引脚，用于与柔性压敏感知阵列下电极层12的电极线连接，使同行上的3个压力感知单元20串联成一组，同列上的3个压力感知单元 20也串联成一组，共9组，每组压力感知单元20各引出一根电极线，共9根电极线与外围电路连接，电极线宽度为0.5mm,末端排列间隔为0.5mm，采用行列扫描方式采集柔性压敏感知阵列4的压力感知信号。绝缘阻隔的柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块13的直径为2mm。压力感知的上电极没有引出电极线，是为了加入绝缘隔离块，把下电极切断一部分，加上隔离块之后再将电极补充完整。

压力感知具体是利用压敏材料受拉时，内部电导率变化进而引起电阻的变化，使用接触的方式检测物体表面信息。

具有金字塔凸台的PDMS上封装层1与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层 6中包括九个呈3×3均匀排列的单元格，与超声感知单元15和压力感知单元 20相匹配，相邻单元格之间的中心距离为16mm，具有金字塔凸台的PDMS上封装层1与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层6的厚度为1.4mm，单元格是边长为14mm，深1mm的正方体凹槽，相邻单元格之间距离为2mm；每个单元格有四个棱形排布的金字塔凸台或凹槽结构，金字塔凸台或凹槽距离单元格中心位置距离分别为3mm和5.5mm，金字塔凸台尺寸等于金字塔凹槽尺寸，上下同位排布单元格中的金字塔凸台或凹槽结构之间形成互锁，并与超声感知阵列2 错位排布，与柔性压敏感知阵列4上下同位排布。

当外界压力作用在柔性复合式传感阵列上时，经具有金字塔凸台的PDMS 上封装层1和超声感知阵列基底层3将压力传递到石墨烯图案阵列11，使石墨烯图案阵列11发生拉伸变形，以改变石墨烯图案阵列11内部的导电率，进而改变石墨烯图案阵列11的电阻，结果将压力信号转变为经柔性压敏感知阵列下电极层12电极线输出的电阻变化信号，同时由于金字塔结构与超声感知阵列2 的错位排布，极大程度上减小压力对超声感知阵列2产生的正压电效应。

本发明的具体实施步骤如下：

1)制作模具和丝网印刷版

利用光固化3D打印机制造具有金字塔凸台的PDMS上封装层模具25和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层模具26；利用激光加工的方法制造具有图案化凹槽的超声感知阵列上电极层丝网印刷版16、超声感知阵列下电极层丝网印刷版17、发射并接收超声波的PVDF敏感层丝网印刷版18、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版19、柔性压敏感知阵列下电极层丝网印刷版21、石墨烯图案阵列丝网印刷版22、柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版23、柔性压敏感知阵列上电极层丝网印刷版24；将上述各模具和丝网印刷版放入无水乙醇中超声清洗10分钟后，在模具和丝网印刷版的凹槽内均匀喷入脱模剂，之后置于真空干燥箱中，在室温下静置2h。

2)制作封装层和基底层

将PDMS液体材料与固化剂以10：1的质量比混合后在行星搅拌机中混合搅拌3分钟，脱泡处理后得到PDMS复合材料，将PDMS复合材料注入到预先准备的的具有金字塔凸台的PDMS上封装层模具25和具有金字塔凹槽的PDMS 下封装层模具26，然后放置在真空干燥箱中，在室温下静置脱泡，取出后在90℃的加热台上固化2h，完全固化后从模具中剥离得到具有金字塔凸台的PDMS上封装层1和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层6；将配置好并经过脱泡处理后的PDMS复合材料旋涂在玻璃基地上，在90℃加热台上固化2h后得到柔性薄膜，使用激光切割机得到超声感知阵列基底层3和柔性压敏感知阵列基底层5；

3)配置超声感知阵列、柔性压敏感知阵列中敏感层和电极层材料

将PVDF粉末溶解在二甲基甲酰胺溶液后，与ZnO和四氢呋喃按照20：1： 5的质量比进行超声混合分散，形成质地均匀的混合溶液后，将混合溶液放在加热台上搅拌以促使四氢呋喃挥发得到粘稠状PVDF复合材料，并将粘稠状PVDF 复合材料放入极化装置中，在强电场下进行热极化，使粘稠状PVDF复合材料呈现出压电性，之后用于制作发射并接收超声波的PVDF敏感层；将石墨烯纳米片按照硅橡胶质量的5％并加入30ml四氢呋喃混合后进行超声分散30分钟，得到粘稠状石墨烯复合材料，用于制作石墨烯图案阵列；将银纳米片、硅橡胶和聚乙烯吡咯烷酮按照250：100：2.5的质量比加入到30ml四氢呋喃混合后在行星搅拌机中搅拌3分钟后，之后移至90℃加热台上加热并搅拌使四氢呋喃溶液挥发得到粘稠状银纳米片复合材料；

4)制作超声感知阵列

如图6所示，将超声感知阵列下电极层丝网印刷版17、发射并接收超声波的PVDF敏感层丝网印刷版18、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版19 和超声感知阵列上电极层丝网印刷版16分别依次单个对齐紧贴超声感知阵列基底层，并分别用银纳米片复合材料、PVDF复合材料、PDMS复合材料、银纳米片复合材料刮添到一一对应的丝网印刷版图案化凹槽中，每次剥离丝网印刷版后，移动到加热台上固化之后再进行下一层的刮添；

5)制作柔性压敏感知阵列

如图8所示，将石墨烯图案阵列丝网印刷版22、柔性压敏感知阵列下电极层丝网印刷版21、柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块丝网印刷版23和柔性压敏感知阵列上电极层丝网印刷版24分别依次单个对齐紧贴柔性压敏感知阵列基底层，并分别用银纳米片复合材料、石墨烯复合材料、PDMS复合材料、银纳米片复合材料刮添到一一对应的丝网印刷版图案化凹槽中，每次剥离丝网印刷版后，移动到加热台上固化之后再进行下一层的刮添；

6)制作柔性复合感知阵列

将具有金字塔凸台的PDMS上封装层1、超声感知阵列2、超声感知阵列基底层3、柔性压敏感知阵列4、柔性压敏感知阵列基底层5、具有金字塔凹槽的 PDMS下封装层6之间的连接表面进行等离子活化处理，之后在光学显微镜下各层之间对齐贴近，压实加热后封装完成。

上述具体实施方式是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：所述的柔性复合式传感阵列包括从上到下依次叠层分布的具有金字塔凸台的PDMS上封装层(1)、超声感知阵列(2)、超声感知阵列基底层(3)、柔性压敏感知阵列(4)、柔性压敏感知阵列基底层(5)和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层(6)；在交流电的作用下，超声感知阵列(2)利用逆压电效应发射超声波，经外界物体反射后由超声感知阵列(2)接收并输出电压信号；当有外界压力施加在柔性复合式传感阵列时，外界压力经具有金字塔凸台的PDMS上封装层(1)和超声感知阵列基底层(3)传递到柔性压敏感知阵列(4)上，使柔性压敏感知阵列(4)产生并输出压力信号；具有金字塔凸台的PDMS上封装层(1)与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层(6)形成互锁定位结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：所述的超声感知阵列(2)与超声感知阵列基底层(3)上表面紧密贴合，所述的超声感知阵列(2)由超声感知阵列上电极层(7)、发射并接收超声波的PVDF敏感层(8)、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块(9)、超声感知阵列下电极层(10)组成；

超声感知阵列上电极层(7)是由N行×N列阵列排布的超声感知上电极单元构成，发射并接收超声波的PVDF敏感层(8)是由N行×N列阵列排布的PVDF敏感单元构成，超声感知阵列下电极层(10)是由N行×N列阵列排布的超声感知下电极单元构成，每个超声感知上电极单元和一个PVDF敏感单元、一个超声感知下电极单元从上到下依次层叠贴合在一起构成一个超声感知单元(15)，多个超声感知单元(15)在超声感知阵列基底层(3)上表面排布形成均匀间隔的N行×N列的阵列结构；

超声感知上电极单元都引出一根电极线，共N×N根电极线，N×N个超声感知下电极单元相串联共引出一根电极线，通过每个超声感知上电极单元的电极线与超声感知下电极单元的电极线连接到外围电路分别采集各个超声感知单元(15)反馈的超声感知信号，超声感知上电极单元所引出的电极线和超声感知下电极单元所引出的电极线之间的交叉处设置圆形绝缘隔离块(9)进行绝缘阻隔；超声感知阵列上电极层(7)、超声感知阵列下电极层(10)和发射并接收超声波的PVDF敏感层(8)形成闭合回路，超声感知阵列上电极层(7)和超声感知阵列下电极层(10)的电极线之间通以交流电，通过逆压电效应，发射并接收超声波的PVDF敏感层(8)将电能转化为机械振动，从而激发超声波。

3.根据权利要求1所述的一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：所述的柔性压敏感知阵列(4)与柔性压敏感知阵列基底层(5)上表面紧密贴合,所述的柔性压敏感知阵列(4)由石墨烯图案阵列(11)、柔性压敏感知阵列下电极层(12)、柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块(13)、柔性压敏感知阵列上电极层(14)组成；

石墨烯图案阵列(11)是由N行×N列阵列排布的石墨烯单元构成，每个石墨烯单元都有两个输出引脚，同行的N个石墨烯单元的一个输出引脚通过柔性压敏感知下电极的电极线串联组成一组石墨烯单元组，同列的N个石墨烯单元的另一个输出引脚通过柔性压敏感知下电极的电极线串联组成一组石墨烯单元组，共N+N组，每组石墨烯单元组经各自引一根电极线，将电极信号集中经此根电极线输出，共有N+N根电极线，采用行列扫描方式采集柔性压敏感知阵列(4)的压力感知信号；柔性压敏感知上电极层(14)的电极线和柔性压敏感知下电极层(12)的电极线之间的交叉处设置柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块(13)进行绝缘阻隔。

每个石墨烯单元和柔性压敏感知下电极层电极线连接之后构成一个压力感知单元(20)，多个压力感知单元(20)在柔性压敏感知阵列基底层(5)上表面排布形成均匀间隔的N行×N列的阵列结构。

4.根据权利要求1所述的一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：具有金字塔凸台的PDMS上封装层(1)与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层(6)中均包括相同N行×N列均匀阵列排列的单元格，与超声感知阵列(2)中的超声感知单元(15)和柔性压敏感知阵列(4)中的压力感知单元(20)阵列排布相对齐一致；每个单元格中，具有金字塔凸台的PDMS上封装层(1)底面具有多个金字塔凸台，具有金字塔凹槽的PDMS下封装层(6)底面具有多个金字塔凹槽，金字塔凸台和金字塔凹槽一一对应布置且相互嵌套配合，金字塔凸台和金字塔凹槽均位于未设有超声感知单元(15)处，但位于压力感知单元(20)处，下压金字塔凸台使得仅将超声感知阵列基底层(3)、柔性压敏感知阵列(4)、柔性压敏感知阵列基底层(5)被压嵌入到金字塔凹槽中。

5.根据权利要求1所述的一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：所述的发射并接收超声波的PVDF敏感层(8)中的发射并接收超声波的PVDF敏感层单元(27)采用同心圆结构分布，分为内圈、内环和外环三部分，当发射并接收超声波的PVDF敏感层单元(27)外加交流电时，内圈、内环和外环三部分产生不同频率的超声波。

6.根据权利要求4或5所述的一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：每个单元格中，PVDF敏感单元设置是由同心布置的一个圆形区域、一对小弧形区域和一对大弧形区域构成，圆形区域位于中心，一对小弧形区域和一对大弧形区域各自均是由位于同一圆周、且对称在圆形区域两侧的两个弧形区域构成，一对小弧形区域所在的圆周直径小于一对大弧形区域所在的圆周直径，超声感知上电极单元和一个超声感知下电极单元均是由呈8字形的电极图案，电极图案经过于PVDF敏感单元的一对小弧形区域和一对大弧形区域，电极图案在中间设置跨桥区域，跨桥区域经过于圆形区域；同时设置四个在棱形的四角排布的金字塔凸台或金字塔凹槽，其中位于棱形对称两角的两个金字塔凸台/金字塔凹槽分别位于PVDF敏感单元的一对小弧形区域所在的圆周上的空缺处。

7.根据权利要求1所述的一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：所述的超声感知阵列上电极层(7)和超声感知阵列下电极层(10)中电极面积的覆盖率达到PVDF敏感层(8)中敏感材料面积的2/3。

8.根据权利要求1所述的一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：所述的PVDF敏感层(8)由PVDF材料混合ZnO制成。

9.根据权利要求1所述的一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：所述的石墨烯图案阵列(11)由硅橡胶混合石墨烯纳米片制成。

10.根据权利要求1所述的一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：所述的超声感知阵列(2)中的超声感知阵列上电极层(7)、超声感知阵列下电极层(10)和柔性压敏感知阵列(4)中的柔性压敏感知阵列下电极层(12)、柔性压敏感知阵列上电极层(14)均由银纳米导电颗粒与硅橡胶复合制成。

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