CN115014583B - 一种摩擦电触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦电触觉传感器及其制备方法，通过将ITO薄膜电阻作为负载电阻集成到传感器上，在明显减少响应时间的同时保证传感器的结构稳定、轻巧，提高了适用性；利用双面覆铜板作为传感器的电极及衬底，可以保证稳固的接线并使传感器结构更加紧凑。同时，覆铜板外侧可以作为屏蔽层接地减少外界噪声的影响，确保输出稳定的信号；基于自驱动的特性，能够在低频、低速、低压的条件下实现亚毫秒的响应时间，在人机交互、机器人感知、智能设备等方面有着巨大的应用前景；同时，本发明提出的制造方法工艺简单、成本低、成品率高。

Description

一种摩擦电触觉传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及触觉传感器技术领域，尤其涉及一种摩擦电触觉传感器及其制备方法。

背景技术

现有各种触觉传感器基于不同的机制，可以分为压阻、压电、电容和摩擦电类型。压阻传感器需要克服压阻材料产生形变来输出信号，导致响应时间难以缩短到比较小的量级。并且由于材料的不同，响应时间的差异也很大。压电式传感器可以实现自驱动传感，但是也需要压电材料受到压力发生形变来产生电气信号。且受于压电材料限制，制作成本较高。电容式传感器需要外界供电，同时易受外界干扰，信噪比低。摩擦电传感器具备快速响应潜力及自驱动的优势，可以很好地适配触觉传感器的性能要求。

现有的摩擦电触觉传感器的负载电阻阻值较大，使得电荷转移速度较慢，影响摩擦电传感器的输出性能。

因此，针对传感器响应性能，现有触觉传感器还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种摩擦电触觉传感器及其制备方法，旨在解决现有摩擦电传感器因负载电阻值较大、难以集成适配结构等因素，从而影响摩擦电触觉传感器输出性能的问题。

一种摩擦电触觉传感器，其中，依次层叠设置的第一电极，第一摩擦层、第二摩擦层、第二电极以及负载电阻；

所述负载电阻包括沉积在基底表面的导电膜；所述导电膜与所述第一电极靠近所述第一摩擦层的一侧电连接，所述导电膜与所述第二电极靠近所述第二摩擦层的一侧电连接。

可选地，所述的摩擦电触觉传感器，其中，所述第一摩擦层或所述第二摩擦层具有表面微结构。

可选地，所述的摩擦电触觉传感器，其中，所述第一电极和所述第二电极为双面覆铜板。

可选地，所述的摩擦电触觉传感器，其中，所述导电膜具有图案化结构。

可选地，所述的摩擦电触觉传感器，其中，所述负电阻载电阻的电阻值为0.45MΩ-0.55MΩ。

一种上述所述的摩擦电触觉传感器的制备方法，其中，包括：

提供一基底，采用磁控溅射在所述基底表面制备导电膜；

提供第一电极、第二电极、第一摩擦层和第二摩擦层；

将所述第一摩擦层黏贴在所述第一电极的表面，将所述第二摩擦层黏贴在所述第二电极的表面，并将所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互贴合；

将所述导电膜与所述第一电极靠近所述第一摩擦层的一侧电连接，所述导电膜与所述第二电极靠近所述第二摩擦层的一侧电连接。

可选地，所述的摩擦电触觉传感器，其中，所述第一摩擦层为带有砂纸表面微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜。

可选地，所述的摩擦电触觉传感器，其中，所述第二摩擦层为表面光滑的聚四氟乙烯薄膜。

可选地，所述的摩擦电触觉传感器，其中，带有砂纸表面微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜的制备方法包括：

提供一砂纸；

将聚二甲基硅氧烷溶液旋涂在所述砂纸上，倒模得到所述带有砂纸表面微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜。

可选地，所述的摩擦电触觉传感器，其中，所述砂纸的目数为600-1000目。

有益效果：与传统的外接电阻相比，本发明通过将导电膜作为负载电阻集成到传感器上，在明显减少响应时间的同时保证传感器的结构稳定、轻巧，提高了适用性；本发明提供的摩擦电触觉传感器响应速度快，能够在低频、低速、低压的条件下实现亚毫秒的响应时间，在人机交互、机器人感知、智能设备等方面有着巨大的应用前景；

附图说明

图1为本发明提供的一种集成薄膜电阻摩擦电触觉传感器结构示意图；

图2为本发明提供的具有砂纸表面微结构PDMS薄膜的扫描电镜照片；

图3为本发明提供的触觉传感器在手指按压下的输出信号及响应时间性能示意图；

图4为本发明提供的触觉传感器对于乒乓球弹跳的输出信号及响应时间性能示意图。

具体实施方式

本发明提供一种摩擦电触觉传感器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1是一种摩擦电触觉传感器结构示意图，如图所示，所述摩擦电触觉传感器，在竖直方向上，从下至上依次层叠设置的第一电极5，第一摩擦层4、第二摩擦层3、第二电极2以及负载电阻1；所述负载电阻1包括沉积在基底表面的导电膜；所述导电膜与所述第一电极5靠近所述第一摩擦层4的一侧电连接（未示出），所述导电膜与所述第二电极2靠近所述第二摩擦层3的一侧电连接（未示出）。容易理解的是，所谓的依次层叠设置指的是，沿着一个方向，按照顺序将各层叠放在一起。

在本实施例中，所述第一电极和所述第二电极可以是双面覆铜板（copper cladlaminate，CCL），覆铜板中间夹层材料为阻燃玻璃纤维增强环氧树脂（flame-retardantglass-reinforced epoxy，FR-4）。通过选用双面覆铜板作为电极，因其具有一定的刚性，更容易传递外界激励，且变形时间更短。

在本实施例中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的材质为相互接触后容易产生电荷转移的薄膜材料，如分别为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）和聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）。第一摩擦层和第二摩擦层对电子的亲和能力不同。当受到外界压力进行接触-分离运动时，由于摩擦电效应，电荷会在连接两个电极的负载电阻上转移，从而产生电压信号。

所述基底的材质可以是PET材质，所述导电膜可以是通过磁控溅射得到的ITO薄膜。正常装配时，所述ITO薄膜是沉积在所述基底上的。将导电膜集成在摩擦触觉传感器上作为负载电阻，所述负载电阻的电阻值可以是0.45MΩ- 0.55MΩ。利用其轻薄的特性，减小了电阻值，提升了电荷的转移速度，从而使得摩擦电触觉传感器的响应速度提升。同时，因为其轻薄，避免了传感器结构复杂笨重。

在本实施例的一种实现方式中，所述导电膜具有图案化结构，所述图案化结构指的是，通过采用如激光器根据预设路径进行蚀刻得到，如采用激光器在所述导电膜上蚀刻出蛇形线图案。通过图案化处理，提升导电膜的电阻值，使其稳定在合适的电阻值。在所述导电膜的表面贴附一层聚酰亚胺（polyimide，PI）胶带作为绝缘保护层。即通过增设绝缘保护层对所述导电膜进行保护。

在本实施例的一种实现方式中，所述第一摩擦层具有表面微结构，所述的表面微结构可以是在第一摩擦层的表面单独加工出的具有一定形状的结构，如网状结构，当然也可以是通过模具直接加工出具有一定形状的结构，如采用砂纸作为模板，将用于形成薄膜的溶液涂布在所述砂纸上，成膜后经过倒模，将薄膜与砂纸分离，得到第一摩擦层。所述第二摩擦层可以是表面光滑的薄膜。通过将摩擦层之间的空隙缩小到带有微结构的摩擦层表面本征尺寸大小，以此来获取更快的响应。

基于相同的发明构思，本发明还提供一种摩擦电触觉传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

S10、提供一基底，采用磁控溅射在所述基底的上表面制备导电膜；

S20、提供第一电极、第二电极、第一摩擦层和第二摩擦层；

S30、将所述第一摩擦层黏贴在所述第一电极的表面，将所述第二摩擦层黏贴在所述第二电极的表面，并将所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互贴合；

S40、将所述导电膜与所述第一电极靠近所述第一摩擦层的一侧电连接，所述导电膜与所述第二电极靠近所述第二摩擦层的一侧电连接。

具体来说，将基底进行清洗干净，将基底放入磁控溅射设备中，进行磁控溅射，在基底的上表面形成一导电膜（如ITO膜）。其中，磁控溅射设备以及磁控溅射的工艺均为现有技术，在此不做赘述。所述基底的尺寸可以根据实际需要进行设置，所述基底的材质为PET材质，所述基底的厚度为0.175mm，得到的导电膜的表面电阻可以是40-50 Ω/sq。利用激光器在ITO膜上进行图案化处理，使其形成蛇形线图案，每两条线之间的距离为0.3mm，并在其表面贴附一层PI胶带作为绝缘保护层以得到薄膜电阻。薄膜电阻长宽均为25mm，电阻值为0.45MΩ-0.55MΩ。通过将电阻值控制在0.45MΩ-0.55MΩ，可以使电荷转移的速度较快。

在本实施例中，所述第一电极和所述第二电极可以是双面覆铜板，两块铜板的厚度可以相同也可以不同，如充当第一电极的双面覆铜板的厚度为0.8mm，充当第二电极的双面覆铜板的厚度为0.6mm。将位于上部的电极（第二电极）的厚度设置为小于第一电极，可以使集成了负载电阻后，整体厚度不至于太厚，有利于提升传感器的灵敏度。

在本实施例中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层对电子的亲和能力是不相同的。如构成所述第一摩擦层的材料为PDMS，构成所述第二摩擦层的材料为PTFE。同时所述第一摩擦层和所述第二摩擦层两者中有一个具有表面微结构，其余一个是光滑平面（不具有表面微结构）。

示例性地，所述具有微结构的摩擦层的制备方法可以是，提供一张800目的砂纸，在该砂纸上旋涂PDMS液体固化后，得到带有砂纸表面微结构的PDMS薄膜。从砂纸上将所述PDMS薄膜撕下后黏贴在双面覆铜板的表面（上表面或下表面）。所述PDMS薄膜的厚度为0.1mm左右，其表面微结构的扫描电镜照片如图2所示。

将PTFE溶液涂布在表面光滑的载体上，经固化后得到PTFE薄膜，将PTFE薄膜与载体分离后，将其黏贴在另一双面覆铜板的表面（上表面或下表面）。将粘贴有PDMS薄膜和PTFE薄膜的两块双面覆铜板用PI胶带贴合固定，PDMS薄膜与PTFE薄膜相接触。通过将两个摩擦层之间的空隙缩小到带有微结构的摩擦层表面本征尺寸大小，可以使摩擦电触觉传感器获得更快的响应。

将所述导电膜通过导线分别与PDMS薄膜所在的双面覆铜板的端面、PTFE薄膜所在的双面覆铜板的端面相连接。容易理解的是，所述双面覆铜板的两个面覆有铜箔，其中的一个面上黏贴有PDMS薄膜，另一块双面覆铜板上的一个面上黏贴有PTFE薄膜。所述导电膜通过导线分别与黏贴有PDMS薄膜、PTFE薄膜的铜箔电连接。分别将两块双面覆铜板的另外一侧的铜箔接地，作为屏蔽层，可以减少外界噪声的影响，确保输出稳定的信号。

下面通过具体的实施例，对本发明所提供的摩擦电触觉传感器做进一步的解释说明。

实施例1

提供厚度为0.175mm的PET基底，对PET基底进行超声波清洗，干燥。将干燥后的PET基底放入磁控溅射设备中，通过溅射操作，在PET基底的表面溅射一层ITO薄膜。所述ITO薄膜的表面电阻为40Ω/sq。

利用激光器在所述ITO薄膜上进行刻蚀，形成蛇形线图案，相邻的两条蛇形线之间的距离为0.3mm，并在具有蛇形线图案的ITO薄膜表面贴附一层PI胶带作为绝缘保护层，ITO膜的长宽均为25mm，电阻值为0.45MΩ。

在600目砂纸上旋涂PDMS溶液后固化得到带有砂纸表面微结构的PDMS薄膜，将PDMS薄膜从砂纸上分离，黏贴在双面覆铜板的一个表面上。其中，所述PDMS薄膜的厚度为0.1mm左右。

将PTFE溶液涂布在表面光滑的载体上，经固化后得到PTFE薄膜，将PTFE薄膜与载体分离后，将其黏贴在另一双面覆铜板的表面。并把两块带有摩擦层的双面覆铜板用PI胶带贴合固定。

将用PI胶带封装后的ITO薄膜黏贴在具有PTFE薄膜的双面覆铜板的另一表面上，并通过导线与黏贴有摩擦层的电极相连接，组成完整的回路。同时，将两个电极的外侧作为屏蔽层接地减少外界噪声的影响，确保输出稳定的信号。

实施例2

提供厚度为0.160mm的PET基底，对PET基底进行超声波清洗，干燥。将干燥后的PET基底放入磁控溅射设备中，通过溅射操作，在PET基底的表面溅射一层ITO薄膜。所述ITO薄膜的表面电阻为45Ω/sq。

利用激光器在所述ITO薄膜上进行刻蚀，形成蛇形线图案，相邻的两条蛇形线之间的距离为0.25mm，并在具有蛇形线图案的ITO薄膜表面贴附一层PI胶带作为绝缘保护层，ITO膜的长宽均为25mm，电阻值为0.50MΩ。

在700目砂纸上旋涂PDMS溶液后固化得到带有砂纸表面微结构的PDMS薄膜，将PDMS薄膜从砂纸上分离，黏贴在双面覆铜板的一个表面上。其中，所述PDMS薄膜的厚度为0.15mm左右。

将PTFE溶液涂布在表面光滑的载体上，经固化后得到PTFE薄膜，将PTFE薄膜与载体分离后，将其黏贴在另一双面覆铜板的表面。并把两块带有摩擦层的双面覆铜板用PI胶带贴合固定。

将用PI胶带封装后的ITO薄膜黏贴在具有PTFE薄膜的双面覆铜板的另一表面上，并通过导线与黏贴有摩擦层的电极相连接，组成完整的回路。同时，将两个电极的外侧作为屏蔽层接地减少外界噪声的影响，确保输出稳定的信号。

实施例3

提供厚度为0.175mm的PET基底，对PET基底进行超声波清洗，干燥。将干燥后的PET基底放入磁控溅射设备中，通过溅射操作，在PET基底的表面溅射一层ITO薄膜。所述ITO薄膜的表面电阻为50Ω/sq。

利用激光器在所述ITO薄膜上进行刻蚀，形成蛇形线图案，相邻的两条蛇形线之间的距离为0.3mm，并在具有蛇形线图案的ITO薄膜表面贴附一层PI胶带作为绝缘保护层，ITO膜的长宽均为25mm，电阻值为0.55MΩ。

在800目砂纸上旋涂PDMS溶液后固化得到带有砂纸表面微结构的PDMS薄膜，将PDMS薄膜从砂纸上分离，黏贴在双面覆铜板的一个表面上。其中，所述PDMS薄膜的厚度为0.2mm左右。

将PTFE溶液涂布在表面光滑的载体上，经固化后得到PTFE薄膜，将PTFE薄膜与载体分离后，将其黏贴在另一双面覆铜板的表面。并把两块带有摩擦层的双面覆铜板用PI胶带贴合固定。

将用PI胶带封装后的ITO薄膜黏贴在具有PTFE薄膜的双面覆铜板的另一表面上，并通过导线与黏贴有摩擦层的电极相连接，组成完整的回路。同时，将两个电极的外侧作为屏蔽层接地减少外界噪声的影响，确保输出稳定的信号。

对实施例3中的摩擦电触觉传感器的性能进行测试，测试结果如图3和图4所示，其中图3展示了触觉传感器在手指按压下的输出信号及响应时间性能，图4展示了触觉传感器对于乒乓球弹跳的输出信号及响应时间性能。可以看出本发明提供的摩擦电触觉传感器在日常应用场景中输出信号稳定，响应时间能够达到亚毫秒量级。

综上所述，本发明所提供的一种摩擦电触觉传感器及其制备方法，通过将ITO薄膜电阻作为负载电阻集成到传感器上，在明显减少响应时间的同时保证传感器的结构稳定、轻巧，提高了适用性；利用双面覆铜板作为传感器的电极及衬底，可以保证稳固的接线并使传感器结构更加紧凑。同时，覆铜板外侧可以作为屏蔽层接地减少外界噪声的影响，确保输出稳定的信号；基于自驱动的特性，能够在低频、低速、低压的条件下实现亚毫秒的响应时间，在人机交互、机器人感知、智能设备等方面有着巨大的应用前景；同时，本发明提出的制造方法工艺简单、成本低、成品率高。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种摩擦电触觉传感器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一电极，第一摩擦层、第二摩擦层、第二电极以及负载电阻；

所述负载电阻包括沉积在基底表面的导电膜；所述导电膜与所述第一电极靠近所述第一摩擦层的一侧电连接，所述导电膜与所述第二电极靠近所述第二摩擦层的一侧电连接；

所述导电膜通过导线分别与第一电极、第二电极电连接；

所述负载电阻的电阻值为0.45MΩ-0.55MΩ；

所述第一摩擦层和所述第二摩擦层两者中有一个具有表面微结构，其余一个是光滑平面，两者相互贴合；

所述第一电极和所述第二电极为双面覆铜板；

所述双面覆铜板同时作为衬底和屏蔽层。

2.根据权利要求1所述的摩擦电触觉传感器，其特征在于，所述导电膜具有图案化结构。

3.一种权利要求1-2任一所述的摩擦电触觉传感器的制备方法，其特征在于，包括：

提供一基底，采用磁控溅射在所述基底表面制备导电膜；

提供第一电极、第二电极、第一摩擦层和第二摩擦层；

将所述第一摩擦层黏贴在所述第一电极的表面，将所述第二摩擦层黏贴在所述第二电极的表面，并将所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互贴合；

将所述导电膜与所述第一电极靠近所述第一摩擦层的一侧电连接，所述导电膜与所述第二电极靠近所述第二摩擦层的一侧电连接。

4.根据权利要求3所述的摩擦电触觉传感器，其特征在于，所述第一摩擦层为带有砂纸表面微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜。

5.根据权利要求4所述的摩擦电触觉传感器，其特征在于，所述第二摩擦层为表面光滑的聚四氟乙烯薄膜。

6.根据权利要求4所述的摩擦电触觉传感器，其特征在于，带有砂纸表面微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜的制备方法包括：

提供一砂纸；

将聚二甲基硅氧烷溶液旋涂在所述砂纸上，倒模得到所述带有砂纸表面微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜。

7.根据权利要求6所述的摩擦电触觉传感器，其特征在于，所述砂纸的目数为600-1000目。