CN114608623B - 敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列及其制备方法，该传感器阵列包括二端阻性敏感器件、导电材料、上衬底、下衬底和织物基底；所述下衬底为有一面布满圆毛的魔术贴，上衬底为有一面布满钩毛的魔术贴，二端阻性传感单元之间以共用行列线的形式连接并固定于织物基底表面；二端电极单元由导电材料上穿过下衬底并在特定圆形区域内盘成二维螺旋状的下接触电极；二端阻性敏感单元的两个金属丝引脚下穿过上衬底并在特定圆形区域内盘成二维螺旋状的上接触电极；为保持良好接触，每个二端电极单元的两个下接触电极与二端阻性敏感单元的两个上接触电极分别正对贴合。本发明具有敏感单元可更换、阵列传感功能多样化和重复使用的优点。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列及其制备方法。
背景技术
触觉传感设备通过获取的重量、形状、压力和温度等信息，能够执行高精度、高复杂度工作，还能准确检测外部环境和目标物，并对外部刺激迅速做出反应。目前，科研人员针对传统的触觉传感器受到较大的弯曲或拉伸时容易损坏的问题，提出了一种采用柔弹性衬底、导电织物等材料制作的电子皮肤，该传感器可较好的贴合于物体表面从而模仿人类皮肤随身体运动而弯曲拉伸，实现压力、温度等信息的测量。柔弹性阵列式触觉传感器阵列作为电子皮肤的一种，能够附着于不同待测物体表面，实现物体形状、表面纹理、粗糙度、振动、压力和滑动等信息的感知，在智能机器人、医疗诊断和仿生假肢等方面具有广阔的应用前景。虽然柔弹性阵列式触觉传感器阵列在敏感原理、制备工艺、测量电路等方面研究取得较大进步，但大多利用3D打印、丝网印刷、溶胶-凝胶和电泳沉积等集成化方法制备，成本高且制作后敏感单元难以更换，如果出现有传感单元损坏，会导致整个传感器不能使用，只能报废处理；为了解决上述问题，有必要研究设计一款成本低、敏感单元便于更换的柔弹性触觉传感器阵列。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列及其制备方法，制作简单，成本低廉，由于具备可更换敏感单元的特点，使得传感器阵列拥有多种的测量功能，且易维护，可重复使用的优点。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列的制备方法，包括如下步骤：
（1）预处理电极导电材料：以带绝缘皮导线作为导电材料为例，先将若干根带绝缘皮导线的一端进行剥皮处理，用剥线钳剥出约10.0mm的电极导线。选取两根已经剥好皮的导线，将其剥好的电极导线端拧绕，并对该拧绕部分镀锡处理成拧绕端，再将导线的其他未剥皮部分拉成一字型，整体成一根倒T型导线；
（2）预处理下衬底材料：下衬底为有一面布满圆毛的圆毛魔术贴，圆毛魔术贴圆毛面朝上，在下衬底的一条斜对角线上四分之一处和四分之三处分别进行去除圆毛处理，打磨出两个直径约为3.0mm的圆形区域一，再用电钻在这两个圆形区域一的圆心处分别钻一个直径约1.0mm的小孔一；
（3）预处理上衬底材料：上衬底为有一面布满钩毛的钩毛魔术贴，钩毛魔术贴的钩毛面朝下，在其一条斜对角线上的四分之一处和四分之三处分别进行去除钩毛处理，打磨出两个直径约为3.0mm的圆形区域二，再用电钻在这两个圆形区域二的圆心处分别钻一个直径约1.0mm的小孔二。此外，使用电钻在另一条对角线上的四分之一处钻出一个直径约2.0mm的小孔三；
（4）阻性传感器阵列制作：以M×N阻性传感器阵列为例，该阵列共有M×N个二端电极单元和二端阻性敏感单元；
（5）单个二端电极单元的制作。取步骤（1）做好的倒T型导线，将拧绕端上穿过下衬底（魔术贴圆毛面朝上）到下衬底的圆毛面；在下衬底圆毛面的圆形区域一内，将拧绕端贴着圆形区域一盘成二维螺旋状，形成下接触电极，并用热熔胶将倒T型导线固定于下衬底表面。同理，重复上述步骤，取另一根倒T型导线，在下衬底的圆形区域一处盘出下接触电极，并用热熔胶将倒T型导线固定于下衬底表面，两根倒T型导线固定成垂直的形状；
（6）重复步骤（5）制作M×N个二端电极单元。以共用行线和列线的形式将相邻二端电极单元的倒T型导线连接形成M行N列形式，并将其固定于织物基底表面实现二维传感器阵列的柔性和弹性；
（7）单个二端阻性敏感单元的制作。以热敏电阻作为阻性敏感器件为例，将热敏电阻的两个金属丝引线分别下穿过上衬底（钩毛魔术贴的钩毛面朝下）到上衬底的钩毛面，热敏电阻探头放入孔中，并将穿过的金属丝引线分别在圆形区域二内盘成二维螺旋状，形成上接触电极；
（8）重复步骤（7），制作M×N个二端阻性敏感单元；将每个二端阻性敏感单元的两个上接触电极与织物基底上对应的二端电极单元上两个下接触电极分别正对贴合并按紧，即每个二端阻性敏感单元上接触电极的正投影能够将其相应二端电极单元下接触电极全覆盖，保持钩毛魔术贴的钩毛面与圆毛魔术贴的圆毛面良好粘连；
至此，一种兼具柔弹性的M×N二维传感器阵列制作完成。
一种敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列，是由若干个传感单元以共用行列线形式连接并固定于织物基底而成；所述传感单元包括贴合在一起的二端电极单元和二端阻性敏感单元；二端阻性敏感单元的上接触电极及其相应二端电极单元的下接触电极保持良好导电性，所述二端电极单元包括下衬底和电极导电材料；所述二端阻性敏感单元包括上衬底和敏感器件；
所述下衬底采用圆毛魔术贴，向上的面为圆毛面，背面不做限制；所述上衬底采用钩毛魔术贴，向下的面为钩毛面，另一面不做限制；其中圆毛面上有一层圆毛，钩毛面上有一层钩毛，圆毛和钩毛可以粘连在一起；所述下衬底和上衬底的形状、尺寸均相同；下衬底和上衬底的形状为方形结构（可以四角圆头），如果是正方形，边长为10-15mm；
所述电极导电材料为导电织物或导线；电极导电材料的形状整体成倒T型，两根倒T型导线在下衬底表面固定成垂直的形状，在下衬底的斜对角线上设有两个圆形区域一（直径2.5-4mm），在两个圆形区域一的圆心处分别钻一个小孔一，所述倒T型的电极导电材料穿过小孔一在圆形区域一盘绕成二维螺旋状，形成下接触电极，所述二维传感器阵列中二端电极单元之间的间距通过改变倒T型导线的长度来实现；
所述敏感器件可以为热敏电阻、压敏电阻、光敏电阻等二端阻性传感器；在上衬底的斜对角线上设有两个圆形区域二（直径2.5-4mm），在两个圆形区域二的圆心处分别钻一个小孔二，在另一条对角线上钻出小孔三，敏感器件的两个金属丝设置在上衬底表面，热敏电阻探头放入小孔三中，金属丝引线穿过小孔二在两个圆形区域二内盘绕成二维螺旋状形成上接触电极。
所述织物基底可以通过将织物以交叉缝纫方法制备，也可直接选用运动衣等具有二维拉伸的织物材料。
本发明的有益技术效果如下：
1、本发明方法所实现的二维阻性传感器阵列采用钩毛魔术贴（粘扣带）和圆毛魔术贴分别作为上衬底和下衬底，使得二端阻性敏感单元和二端电极单元通过魔术贴的自粘特性粘连在一起，从而使得二端阻性敏感单元的上接触电极及其相应二端电极单元的下接触电极保持良好导电性，即方便二端阻性敏感单元更换，也方便二维阻性传感器阵列的维修，同时还能保证二维阻性传感器阵列的测试精度。
2、本发明所述的电极单元的接触电极和敏感单元的接触电极均为二维螺旋状，同时它们之间采用面面贴合接触的方式连接，保证了电极单元和敏感单元之间良好的导电性，整个阵列制备过程无需任何复杂微加工过程，整体制作工艺简单高效且普适。
3、本发明方法所实现的二维阻性传感器阵列，其通过更换不同传感类型的二端阻性传感器，如热敏电阻、压敏电阻、光敏电阻等二端阻性传感器，可实现不同的传感功能，如温度场传感、压力场传感、光照场传感及多物理量场分布的组合传感。
4、本发明所述的敏感单元可更换结构，如果出现单个或多个二端阻性敏感单元损坏，仅需更换相应损坏的二端阻性敏感单元，不需要更换整个阵列，大大节约成本。
5、本发明所述的敏感单元可更换结构，可将单个二端阻性敏感单元从阵列中拆下进行单独标定，充分保证了二端阻性敏感单元的标定精度。
6、本发明所述的二端电极单元，其中倒T型导线的长度可自行增减，制作不同形状、不同尺寸的柔弹性传感器阵列，适应不同场景的应用。
7、本发明所述的二维传感器阵列中二端电极单元采用共用行线和共用列线的连接方式，有效减少了测试电极的数量，极大地方便了大规模二维传感器阵列的实现和读取。
附图说明
图1为传感单元的结构示意图。
图2为倒T型导线结构示意图。
图3为下衬底材料预处理后示意图。
图4为上衬底材料预处理后示意图。
图5为二端电极单元结构示意图。
图6为多个二端电极单元连接成传感器阵列的结构示意图。
图7为二端阻性敏感单元结构示意图。
图8为织物基底结构示意图。
图9为柔弹性传感器阵列结构示意图。
附图标识列表：
101为二端电极单元，109为二端阻性敏感单元，102为下衬底，110为上衬底，103和104为圆形区域一，105和106为下接触电极，107和108为倒T型导线，111和112为圆形区域二，113和114为上接触电极，115为小孔三，116为传感器的探头，117为传感器的引线，201和202为导线，203为拧绕端，301和302为小孔一，303为下衬底的圆毛面，401和402为小孔二，403为上衬底的钩毛面，501为下衬底圆毛面的对应面，502为固定倒T型导线的热熔胶，701为上衬底钩毛面的对应面，702为固定传感器引线的热熔胶，801为织物基底。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，二端电极单元101由下衬底102、倒T型导线107和倒T型导线108组成，二端阻性敏感单元109由上衬底110和传感器组成，由于下衬底的圆毛面和上衬底的钩毛面可以紧紧的粘连在一起，因此二端电极单元上的螺旋触点和二端阻性敏感单元上的螺旋触点也可以紧紧贴合。若想更换二端阻性敏感单元只需要将其撕掉，更换一个既可。
如图2-图9所示，敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）预处理电极导电材料。以带绝缘皮导线作为导电材料为例，先将若干根带绝缘皮导线的一端进行剥皮处理，用剥线钳剥出约10.0mm的电极导线。选取两根已经剥好皮的导线201和202，将其剥好部分电极导线端拧绕，并对该拧绕部分镀保护层处理成拧绕端203（镀锡、镀金、镀银都是可以的），再将导线的其他未剥皮部分拉成一字型，整体成一根倒T型导线。
（2）预处理下衬底材料。下衬底102为有一面布满圆毛的圆毛魔术贴，圆毛魔术贴圆毛面303朝上，在下衬底102的一条斜对角线上四分之一处和四分之三处分别进行去除圆毛处理，打磨出两个直径约为3.0mm的圆形区域一103和104，再用电钻在这两个圆形区域一的圆心处分别钻一个直径约1.0mm的小孔一301和302。
（3）预处理上衬底材料。上衬底110为有一面布满钩毛的钩毛魔术贴，钩毛魔术贴钩毛面403朝下，在其一条斜对角线上的四分之一处和四分之三处分别进行去除钩毛处理，打磨出两个直径约为3.0mm的圆形区域二111和112，再用电钻在这两个圆形区域二的圆心处分别钻一个直径约1.0mm的小孔二401和402。此外，使用电钻在另一条对角线上的四分之一处钻出一个直径约2.0mm的小孔三115。
（4）传感器阵列制作。以M×N阻性传感器阵列为例，该阵列共有M×N个二端电极单元和二端阻性敏感单元。
（5）单个二端电极单元的制作。取步骤（1）做好的倒T型导线107，将拧绕端203上穿过下衬底（圆毛魔术贴的圆毛面朝上）到下衬底的圆毛面303；在下衬底圆毛面303的圆形区域一103内，将拧绕端203贴着圆形区域一103盘绕成二维螺旋状，形成下接触电极105，并用热熔胶将倒T型导线107固定于下衬底表面501。同理，重复上述步骤，取另一根倒T型导线108，在下衬底的另一圆形区域一104处盘绕出另一个下接触电极106，并用热熔胶将倒T型导线108固定于下衬底表面501，两根倒T型导线107和108固定成垂直的形状。
（6）重复步骤（5）制作M×N个二端电极单元。以共用行线和列线的形式将相邻二端电极单元的倒T型导线连接形成M行N列形式，并将其固定于织物基底表面实现二维传感阵列的柔性和弹性。
（7）单个二端阻性敏感单元的制作。以热敏电阻作为阻性敏感器件为例，将热敏电阻的两个金属丝引线分别下穿过上衬底（钩毛魔术贴的钩毛面朝下）到上衬底的钩毛面403，热敏电阻探头116放入孔115中，并将穿过的金属丝引线117分别在圆形区域二111和112内盘绕成二维螺旋状，分别形成上接触电极113和114。
（8）重复步骤（7），制作M×N个二端阻性敏感单元；将每个二端阻性敏感单元的两个上接触电极113和114与织物基底上对应的二端电极单元上两个下接触电极105和106分别正对贴合并按紧（上接触电极113和114与下接触电极105和106的厚度与圆毛魔术贴圆毛面、钩毛魔术贴钩毛面厚度基本相同，当魔术贴圆毛面303和钩毛面403贴合时，上接触电极与下接触电极形成面接触，保持良好导电性），即每个二端阻性敏感单元上接触电极113和114的正投影能够将其相应二端电极单元下接触电极105和106全覆盖，保持魔术贴的钩毛面与圆毛面良好粘连。
至此，一种兼具柔弹性的M×N二维传感器阵列制作完成。
由上可见，本发明采用粘连式结构实现二端阻性敏感单元可更换的功能，该方法的制作简单，成本低廉，通过更换二端阻性敏感单元，使得传感器阵列拥有多种的测量功能。此外，如果二端阻性敏感单元损坏，只需将其从传感器阵列中取下来，更换一个新的既可，维护简单，具有可重复使用阵列的优点。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列的制备方法，其特征在于，制作方法包括如下步骤：
（1）预处理电极导电材料：以带绝缘皮导线作为导电材料为例，先将若干根带绝缘皮导线的一端进行剥皮处理，选取两根已经剥好皮的导线(201和202)，将其剥好部分的电极导线端拧绕，并对该拧绕部分镀保护层后形成拧绕端(203），再将导线的其他未剥皮部分拉成一字型，整体成一根倒T型导线；
（2）预处理下衬底材料：下衬底为有一面布满圆毛的圆毛魔术贴，圆毛魔术贴圆毛面(303)朝上，在下衬底的一条斜对角线上四分之一处和四分之三处分别进行去除圆毛处理，打磨出两个圆形区域一（103和104），再用电钻在这两个圆形区域的圆心处分别钻一个小孔一(301和302)；
（3）预处理上衬底材料：上衬底为有一面布满钩毛的钩毛魔术贴，钩毛魔术贴钩毛面(403)朝下，在其一条斜对角线上的四分之一处和四分之三处分别进行去除钩毛处理，打磨出两个圆形区域二(111和112)，再用电钻在这两个圆形区域的圆心处分别钻一个小孔二(401和402)；此外，使用电钻在另一条对角线上的四分之一处钻出一个小孔三(115) ；
（4）阻性传感器阵列制作：以M×N阻性传感器阵列为例，该阵列共有M×N个二端电极单元和二端阻性敏感单元；
（5）单个二端电极单元的制作：取步骤（1）做好的倒T型导线(107)，将拧绕端(203)上穿过下衬底到下衬底的毛面(303)；在下衬底毛面(303)的圆形区域一(103)内，将拧绕端(203)贴着圆形区域(103)盘绕成二维螺旋状，形成下接触电极(105)，并用热熔胶将倒T型导线(107)固定于下衬底表面(501) ；同理，重复上述步骤，取另一根倒T型导线(108)，在下衬底的另一圆形区域一(104)处盘绕出另一个下接触电极(106)，并用热熔胶将倒T型导线(108)固定于下衬底表面(501)，两根倒T型导线（107和108）固定成垂直的形状；
（6）重复步骤（5）制作M×N个二端电极单元：以共用行线和列线的形式将相邻二端电极单元的倒T型导线连接形成M行N列形式，并将其固定于织物基底表面实现二维传感器阵列的柔性和弹性；
（7）单个二端阻性敏感单元的制作：以热敏电阻作为阻性敏感器件为例，将热敏电阻的两个金属丝引线分别下穿过上衬底到上衬底的钩毛面（403），热敏电阻探头(116)放入小孔三(115)中，并将穿过的金属丝引线(117)分别在圆形区域二(111和112)内盘绕成二维螺旋状，分别形成两个上接触电极(113和114)；
（8）重复步骤（7），制作M×N个二端阻性敏感单元；将每个二端阻性敏感单元的两个上接触电极(113和114)与织物基底上对应的二端电极单元上两个下接触电极(105和106)分别正对贴合并按紧，即每个二端阻性敏感单元上接触电极的正投影能够将其相应二端电极单元的下接触电极全覆盖，保持钩毛魔术贴的钩毛面与圆毛魔术贴的圆毛面良好粘连；
至此，一种兼具柔弹性的M×N二维传感器阵列制作完成。
2.一种敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列，其特征在于，所述二维阻性传感器阵列由若干个传感单元以共用行列线形式连接并固定于织物基底(801)而成；所述传感单元包括贴合在一起的二端电极单元(101)和二端阻性敏感单元(109)；二端阻性敏感单元的上接触电极(113和114)及其相应二端电极单元的下接触电极(105和106)保持良好导电性；所述二端电极单元(101)包括下衬底(102)和电极导电材料(107和108）；所述二端阻性敏感单元(109)包括上衬底(110)和阻性敏感器件；
所述下衬底(102)采用圆毛魔术贴，向上的面为圆毛面，另一面不做限制；所述上衬底（110）采用钩毛魔术贴，向下的面为钩毛面，另一面不做限制；其中圆毛魔术贴的圆毛面上有一层圆毛，钩毛魔术贴的钩毛面上有一层钩毛，圆毛和钩毛粘连在一起；所述下衬底(102)和上衬底（110）的形状、尺寸均相同；
在上衬底(102)的斜对角线上设有两个圆形区域二(111和112)，在两个圆形区域二(111和112)的圆心处分别钻一个小孔二(401和402)，在另一条对角线上钻出小孔三（115），敏感器件的两个金属丝设置在上衬底钩毛面（403），热敏电阻探头（116）放入小孔三（115）中，金属丝引线穿过小孔二在两个圆形区域二内盘绕成二维螺旋状形成上接触电极。
3.根据权利要求2所述的一种敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列，其特征在于，所述电极导电材料(107和108）为导电织物或导线；电极导电材料(107和108）的形状整体成倒T型，两根倒T型导线在下衬底毛面(303)固定成垂直的形状，在下衬底的斜对角线上设有两个圆形区域一（103和104），在两个圆形区域一（103和104）的圆心处分别钻一个小孔一(301和302)，所述倒T型的电极导电材料穿过小孔一(301和302)在圆形区域一（103和104）盘成二维螺旋状，形成下接触电极，所述二维传感器阵列中二端电极单元之间的间距通过改变倒T型导线的长度来实现。
4.根据权利要求2所述的一种敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列，其特征在于，所述阻性敏感器件为二端敏感器件，为热敏电阻、压敏电阻或光敏电阻。
5.根据权利要求2所述的一种敏感单元可更换叠层结构的二维传感器阵列，其特征在于，所述织物基底(801)通过将织物以交叉缝纫方法制备，选用具有二维拉伸的织物材料。
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