CN114705226A - 一种接近-触觉双模态柔性传感器的制备方法及其传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种接近‑触觉双模态柔性传感器的制备方法及其传感器，制备方法包括以下步骤：制备介电层和基底，介电层表面具有半球体阵列的微结构；制备上下电极层，将电极导线与上下电极层相连，最后封装传感器。接近觉传感器由上电极层组成，触觉传感器由上电极层、介电层和下电极层组成，从而实现了单一传感器对接近和触觉的感知。本发明采取离子溅射的工艺制备电极层，电极层附着性强，介电层表面具有半球体微结构，有效提升触觉传感器的灵敏度。传感器制作工艺简单，成本较低，可大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，具体涉及一种接近-触觉双模态柔性传感器的制备方法及其传感器。
背景技术
随着科技与社会的发展，柔性传感器的发展也取得了显著的进步。柔性传感器具有弯曲性，拉伸性，共形性等特征，主要应用于智能机器人，可穿戴设备，生物医学监测等领域。柔性触觉传感器能够检测接触、压力、滑动等触觉信息，但当前传感器只具备触觉或者接近觉这一单一感知功能，因此开展接近-触觉双模态柔性传感器的研究，对于柔性传感器的发展及其应用具有重要意义。
当前，接近觉传感器主要分为超声波式、光学式、感应式和电容式等。与其他类型的接近觉传感器相比，电容式接近觉传感器具有结构简单、成本低、能耗小等优势。触觉传感器主要分为电阻式、压电式、电容式等，电容式触觉传感器具有灵敏度高、工作稳定和动态响应好等优势。可将接近和触觉两种模态集成到单一的传感器上，通过接近觉传感器实现对接近距离的感知，通过触觉传感器实现对压力的感知。
目前，传统的柔性传感器的电极加工工艺大多采用光刻技术，制作过程复杂，成本较高，并且电极与基底的附着性较差。因此，急需一种工艺简单，成本较低，制得的电极附着性强的柔性传感器制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种接近-触觉双模态柔性传感器的制备方法及其传感器，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的1，本发明采用如下技术方案：
种接近-触觉双模态柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备介电层和基底；
选用聚乳酸材料(PLA)，利用3D打印机打印具有半球槽阵列微结构的模具；将液态聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂按照质量比为15:1混合搅拌，放入真空箱中抽取混合溶液中的气泡，将混合溶液分别旋涂在玻璃片上和微结构模具上，再将玻璃片和微结构模具放入烤箱中固化，得到柔性PDMS基底和具有微结构的PDMS介电层；
S2、制备电极层；
将导电金属材料通过离子溅射的方法镀到柔性基底上，形成电极层，对其裁剪，得到形状呈方形且大小相同的上电极层和下电极层，再将上电极层裁剪成4个大小相同的方形电极层，将电极导线与上下电极层相连；
S3、封装传感器；
将附着电极层的柔性基底分别贴合到介电层的上下表面，对其封装，完成接近-触觉双模态柔性传感器的制备。
进一步地，PDMS介电层的微结构为半球体阵列。
进一步地，将混合溶液涂抹在玻璃片上后，将玻璃片放在旋涂仪上以200～300r/min的转速旋转20～40s。
进一步地，将具有微结构的PDMS介电层和旋转后的玻璃片放入烤箱中，在70～90℃条件下加热30～50min，使其表面的聚二甲基硅氧烷薄膜固化。
进一步地，所述电极层材料为金或铜。
进一步地，离子溅射的次数为2～4次，每次溅射30～50s。
为了实现上述目的2，本发明采用如下技术方案：
一种采用上述制备方法制备的传感器，包括介电层、上电极层、下电极层、上柔性基底、下柔性基底以及封装材料，上电极层包括4个方形电极，附着在上柔性基底的上表面，下电极层为1个方形电极，附着在下柔性基底的下表面，上下柔性基底分别贴合在介电层的上下表面。
进一步地，封装材料为聚酰亚胺。
进一步地，上电极层形成接近传感器，当物体靠近时，介电层介电常数改变，传感器电容改变，实现对接近距离的感知。
进一步地，上下电极层和介电层形成触觉传感器，当传感器受到压力时，极板间距改变，传感器电容改变，实现对触觉的感知，其电容表达式为：
其中ε0为真空介电常数，εr为介电层的相对介电常数，A为上下电极层的正对面积，d为上下电极层的间距。
本发明具有如下有益效果：
本发明中一种接近-触觉双模态柔性传感器，采用离子溅射的方法制备电极层，工艺简单，成本较低，电极对基底的附着性强。本发明的柔性传感器的聚二甲基硅氧烷介电层具有柔性、低模量、低成本等特点。聚二甲基硅氧烷介电层具有半球体微结构，相较于无半球体微结构的介电层，提高了传感器的灵敏度，改善了传感器性能参数。
针对当前传感器只具备触觉或者接近觉这一单一感知功能，本发明的传感器通过平面结构实现对接近的感知，通过上下电极加介电层的结构实现了对触觉的感知，从而实现了单一传感器对接近和触觉的感知。
附图说明
图1为本发明中接近-触觉双模态柔性传感器的结构分层示意图；
其中，1-上封装层；2-上电极层；3-上柔性基底；4-中间介电层；5-下柔性基底；6-下电极层；7-下封装层；
图2为本发明中接近-触觉双模态柔性传感器的剖视图；
图3是本发明中接近-触觉双模态柔性传感器制备方法的步骤流程图；
图4是本发明中具有半球形槽阵列微结构的模具剖视图；
图5是本发明中接近-触觉双模态柔性传感器在接近觉模态下的电场分布原理图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
实施例1
如图1-2所示，一种接近-触觉双模态柔性传感器，由上到下依次包括上封装层1和下封装层7、上电极层2和下电极层6、上柔性基底3和下柔性基底5、中间介电层4；中间介电层4上表面具有半球体微结构；上电极层2分为4个方形电极，附着在上柔性基底3的上表面，下电极层6为1个方形电极，附着在下柔性基底5的下表面，上下柔性基底贴合在介电层3的上下表面。
在一个实施例中，选用聚酰亚胺作为封装层的材料，其厚度为50μm，尺寸为3.5cm×3.5cm；使用聚二甲基硅氧烷作为上柔性基底3和下柔性基底5的材料，其厚度为100μm，上柔性基底3尺寸为1cm×1cm，下柔性基底5尺寸为2.5cm×2.5cm；电极层的材料为金或者铜，电极层厚度为50μm，上电极层2中4个方形电极的尺寸为1cm×1cm，每个方形电极之间的间距为0.1cm，下电极层尺寸为2.5cm×2.5cm；介电层4的材料为聚二甲基硅氧烷，尺寸为2.5cm×2.5cm，介电层3的上表面具有半球体阵列的微结构。
实施例2
如图3所示，一种基于离子溅射的接近-触觉双模态柔性传感器的制备方法包括以下步骤：
S1、制备介电层和基底；
将聚乳酸材料(PLA)放入3D打印机中，打印具有半球槽阵列微结构的模具，图4为具有半球形槽阵列微结构的模具的剖视图，用电子天平量取液态聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂，以10:1的质量比配制。将配置好的溶液放在磁力搅拌机上搅拌3min，在真空干燥机中抽取混合溶液内的气泡，将混合溶液涂抹在模具和玻璃片上，再将玻璃片放在旋涂仪上以250r/min的转速旋转30s。
将涂有溶液的模具和玻璃片放到烤箱中，在80℃条件下加热40min，使聚二甲基硅氧烷薄膜固化；然后将聚二甲基硅氧烷薄膜从模具揭下，得到具有半球体阵列微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，作为传感器的介电层，聚二甲基硅氧烷薄膜从玻璃片上揭下，作为传感器的柔性基底。
S2、制备电极层；
将金或铜利用离子溅射的方式镀到已制备完成的柔性基底上，将柔性基底放入离子溅射仪中，每次溅射40s，溅射3次，得到电极层，将电极导线与上下电极层相连；
S3、封装传感器；
按照图1-2的所示的结构，将附着电极的柔性基底裁剪成5个方形，其中4个方形尺寸为1cm×1cm，一个方形尺寸为2.5cm×2.5cm，将导线插入电极薄膜中，裁剪介电层使其尺寸为2.5cm×2.5cm，再将柔性基底贴合到介电层上，上电极层附着在上柔性基底的上表面，下电极层附着在下柔性基底的下表面，利用聚酰亚胺对传感器进行封装，完成接近-触觉双模态柔性传感器的制备。
实施例3：
S1、制备介电层和基底；
将聚乳酸材料(PLA)放入3D打印机中，打印具有半球形槽阵列微结构的模具，将液态聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂以10:1的质量比配制，搅拌3min，抽取混合溶液内的气泡，将混合溶液涂抹在模具和玻璃片上，再将玻璃片放在旋涂仪上以200r/min的转速旋转20s。
将涂有溶液的模具和玻璃片放到烤箱中，在70℃条件下加热30min，使聚二甲基硅氧烷薄膜固化；然后将聚二甲基硅氧烷薄膜从模具揭下，得到具有半球体阵列微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，作为传感器的介电层，聚二甲基硅氧烷薄膜从玻璃片上揭下，作为传感器的柔性基底。
S2、制备电极层；
将金或铜利用离子溅射的方式镀到已制备完成的柔性基底上，将柔性基底放入离子溅射仪中，每次溅射30s，溅射2次，得到电极层，将电极导线与上下电极层相连；
S3、封装传感器；
将附着电极的柔性基底裁剪成5个方形，其中4个方形尺寸为1cm×1cm，一个方形尺寸为2.5cm×2.5cm，将导线插入电极薄膜中，裁剪介电层使其尺寸为2.5cm×2.5cm，再将柔性基底贴合到介电层上，上电极层附着在上柔性基底的上表面，下电极层附着在下柔性基底的下表面，利用聚酰亚胺对传感器进行封装，完成接近-触觉双模态柔性传感器的制备。
实施例4：
S1、制备介电层和基底；
将聚乳酸材料(PLA)放入3D打印机中，打印具有半球形槽阵列微结构的模具，将液态聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂以10:1的质量比配制，搅拌3min，抽取混合溶液内的气泡，将混合溶液涂抹在模具和玻璃片上，再将玻璃片放在旋涂仪上以300r/min的转速旋转40s。
将涂有溶液的模具和玻璃片放到烤箱中，在90℃条件下加热50min，使聚二甲基硅氧烷薄膜固化；然后将聚二甲基硅氧烷薄膜从模具揭下，得到具有半球体阵列微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，作为传感器的介电层，聚二甲基硅氧烷薄膜从玻璃片上揭下，作为传感器的柔性基底。
S2、制备电极层；
将金或铜利用离子溅射的方式镀到已制备完成的柔性基底上，将柔性基底放入离子溅射仪中，每次溅射40s，溅射4次，得到电极层，将电极导线与上下电极层相连；
S3、封装传感器；
将附着电极的柔性基底裁剪成5个方形，其中4个方形尺寸为1cm×1cm，一个方形尺寸为2.5cm×2.5cm，将导线插入电极薄膜中，裁剪介电层使其尺寸为2.5cm×2.5cm，再将柔性基底贴合到介电层上，上电极层附着在上柔性基底的上表面，下电极层附着在下柔性基底的下表面，利用聚酰亚胺对传感器进行封装，完成接近-触觉双模态柔性传感器的制备。
本发明制成的接近-触觉双模态柔性传感器，整个器件的尺寸为3.5cm×3.5cm；
接近觉传感器由上电极层的4个方形电极组成，采用同面电极结构，基于边缘场效应，4个电极产生4个边缘场，电场分布图如图5所示，当物体靠近电极时，目标物、电极与大地之间的容性发生变化，电极上方的介电常数发生改变，从而引起接近觉传感器电容的改变，实现对物体接近距离的感知。
触觉传感器由上下电极层和中间介电层组成，采用“三明治”结构，当触觉传感器受到压力时，中间介电层被压缩，极板间距改变，从而引起触觉传感器电容的改变，实现对物体压力大小的感知。电容值的计算公式为：
其中ε0为真空介电常数，εr为介电层的相对介电常数，A为上下电极层的正对面积，d为上下电极层的间距。
本发明所设计的传感器具有接近感知和触觉感知两种模态，当物体接近平面结构的接近觉传感器时，接近觉传感器电容改变，从而实现对物体接近距离的感知；当“三明治”结构的触觉传感器受到压力时，触觉传感器电容改变，从而实现对压力大小的感知。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种接近-触觉双模态柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备介电层和基底；
选用聚乳酸材料，利用3D打印机打印具有半球槽阵列微结构的模具；将液态聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂按照质量比为15:1混合搅拌，放入真空箱中抽取混合溶液中的气泡，将混合溶液分别旋涂在玻璃片上和微结构模具上，再将玻璃片和微结构模具放入烤箱中固化，得到柔性PDMS基底和具有微结构的PDMS介电层；
S2、制备电极层；
将导电金属材料通过离子溅射的方法镀到柔性基底上，形成电极层，对其裁剪，得到形状呈方形且大小相同的上电极层和下电极层，再将上电极层裁剪成4个大小相同的方形电极层，将电极导线与上下电极层相连；
S3、封装传感器；
将附着电极层的柔性基底分别贴合到介电层的上下表面，对其封装，完成接近-触觉双模态柔性传感器的制备。
2.根据权利要求1所述的一种接近-触觉双模态柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述PDMS介电层的微结构为半球体阵列。
3.根据权利要求1所述的一种接近-触觉双模态柔性传感器的制备方法，其特征在于，将混合溶液涂抹在玻璃片上后，将玻璃片放在旋涂仪上以200～300r/min的转速旋转20～40s。
4.根据权利要求3所述的一种接近-触觉双模态柔性传感器的制备方法，其特征在于，将具有微结构的PDMS介电层和旋转后的玻璃片放入烤箱中，在70～90℃条件下加热30～50min，使其表面的聚二甲基硅氧烷薄膜固化。
5.根据权利要求1所述的一种接近-触觉双模态柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述电极层材料为金或铜。
6.根据权利要求1所述的一种接近-触觉双模态柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述离子溅射的次数为2～4次，每次溅射30～50s。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述的制备方法制备的传感器，其特征在于，包括介电层、上电极层、下电极层、上柔性基底、下柔性基底以及封装材料，所述上电极层包括4个方形电极，附着在上柔性基底的上表面，下电极层为1个方形电极，附着在下柔性基底的下表面，上下柔性基底分别贴合在介电层的上下表面。
8.根据权利要求7所述的一种传感器，其特征在于，所述封装材料为粘性聚酰亚胺胶带。
9.根据权利要求7所述的一种传感器，其特征在于，所述上电极层形成接近传感器，当物体靠近时，介电层介电常数改变，传感器电容改变，实现对接近距离的感知。
10.根据权利要求7所述的一种传感器，其特征在于，所述上下电极层和介电层形成触觉传感器，当传感器受到压力时，极板间距改变，传感器电容改变，实现对触觉的感知，其电容表达式为：
其中ε0为真空介电常数，εr为介电层的相对介电常数，A为上下电极层的正对面积，d为上下电极层的间距。
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2022
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| 吴露瑶: "基于电容原理的柔性接近觉与触觉电子皮肤研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》, no. 3 * |
| 吴露瑶: "基于电容原理的柔性接近觉与触觉电子皮肤研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑, no. 3, pages 2 - 1 * |
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