CN115235541A - 一种柔性传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柔性传感器及其制备方法和应用，包括至少一个柔性触觉传感构件、至少一个导通件和柔性可拉伸衬底；其中，所述至少一个柔性触觉传感构件呈阵列排布在所述柔性可拉伸衬底上，且所述至少一个柔性触觉传感构件配置为通过所述至少一个导通件引出输出端作为电学信号传输通道，所述至少一个柔性触觉传感构件与所述至少一个导通件形成岛桥式结构；该柔性传感器利用纤维围绕花瓣的独特结构实现了对温度、压力信号的同时独立输出和检测；具有柔性，可拉伸性，可为用户提供良好的舒适度、体验感；可用于人体运动及健康监测，能够应用于制备柔性可穿戴电子设备。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种柔性传感器及其制备方法和应用。
背景技术
电子皮肤是附着在人类皮肤、机器人或假肢表面，能够模拟人类皮肤特性，如延展性、自愈能力、高机械韧性、触觉感知能力等，同时具备一些附加特征的触觉传感器，可用于人体运动及健康监测、赋予机器人及假肢以触觉感知能力等。作为触觉传感器，首先需要有良好的可拉伸性和机械自由度，以防止电子皮肤在使用期间出现剥落或破裂。此外，还需实现对温度和物理刺激信号，如压力、应变、剪切和滑移的定性定量检测。
现如今，越来越多的研究趋向于将柔性或者可拉伸传感元件与柔性软质衬底材料进行连接组合。然而，由于不同机械刺激的泊松效应以及温度对于机械刺激类柔性传感元件的影响，传统的电容式或电阻式柔性传感元件可能会对压力、拉伸应变以及温度产生相似的响应输出信号，从而造成这些检测信号的失真，因此，有必要进行改进。
发明内容
本发明为解决现有的柔性传感器检测温度和压力信号易受拉伸应变影响的问题，提供了一种柔性传感器。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本公开至少一实施例提供一种柔性传感器，包括：至少一个柔性触觉传感构件、至少一个导通件和柔性可拉伸衬底；其中，所述至少一个柔性触觉传感构件呈阵列排布在所述柔性可拉伸衬底上，且所述至少一个柔性触觉传感构件配置为通过所述至少一个导通件引出输出端作为电学信号传输通道，所述至少一个柔性触觉传感构件与所述至少一个导通件形成岛桥式结构。
本公开的至少一实施例提供的柔性传感器中，所述柔性触觉传感构件包含有：至少一个柔性压力传感元件和至少一个柔性温度传感元件。
本公开的至少一实施例提供的柔性传感器中，所述柔性温度传感元件呈线状设置。
本公开的至少一实施例提供的柔性传感器中，所述柔性压力传感元件呈花瓣状设置，所述柔性温度传感元件呈蜿蜒状围绕在所述柔性压力传感元件的周围。
本公开的至少一实施例提供的柔性传感器中，所述柔性压力传感元件和柔性温度传感元件之间具有间隙。
本公开的至少一实施例提供的柔性传感器中，所述柔性压力传感元件的高度与所述柔性温度传感元件的直径长度数值相同。
本公开的至少一实施例提供的柔性传感器中，所述柔性可拉伸衬底为PDMS衬底、TPU衬底或SEBS衬底中的一种。
第二方面，本公开至少一实施例提供一种柔性可穿戴的电子设备，包括上述的柔性传感器。
第三方面，本公开至少一实施例提供一种柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1.以DMF为溶剂配置TPU溶液，将CNT纳米粉末加入到TPU溶液中，经超声搅拌获得均匀的混合纺丝原液，将混合纺丝原液以一定流速从注射泵挤出到凝固浴中，固化成型后进行退火处理，得到纤维状柔性温度传感元件；
S2.将PDMS/NaCl溶液经真空脱泡处理后，浇注于以PET膜为基底的花瓣状模具中，固化成膜，再将固化膜浸入水溶液中溶解脱除NaCl纳米颗粒，经去离子水洗涤后得到PDMS多孔花瓣膜，作为柔性压力传感元件的介电层；
S3.将多孔花瓣膜按阵列排布在PET基底上，利用掩模版法在多孔花瓣膜上镀一层金电极作为柔性压力传感元件的下端电极，然后借助水溶性胶带在下端电极位置镀上蜿蜒状导线，将整体取下；
S4.在此水溶性胶带上涂一层厚度小于多孔花瓣膜的聚酰亚胺膜，利用掩模版法在其另一侧镀一层金电极作为柔性压力传感元件的上端电极，然后使用二维位移台和线轴装置在水溶性胶带上排列设计好柔性温度传感元件，再借助水溶性胶带在对应柔性压力传感元件上端电极和柔性温度传感元件两端位置镀上蜿蜒状导通件；
S5.依次溶解两面水溶性胶带，用柔性衬底材料对表面进行封装，即得柔性传感器。
进一步的，所述步骤S1中的具体步骤为：将2ml纺丝原液从内径为0.41mm的注射器中以0.3ml/min的挤出速度注入到去离子水凝固浴中，挤出后，在凝固浴中浸泡12h，收集后用去离子水洗涤数次，置于室温下干燥；
进一步的，所述步骤S1中退火处理的具体步骤为：将固化成型的CNT/TPU纤维放置在烘箱内以100℃退火处理2h；
进一步的，所述步骤S2中的具体步骤为：将PDMS与固化剂充分混合后，加入NaCl纳米颗粒于预聚物中，PDMS与NaCl质量比为1：4，机械搅拌30min，真空脱泡后，将其浇注于PET基底上，用模具控制制得膜的厚度为1mm，置于烘箱内以80℃固化4h，将固化后PDMS膜浸入温水中，充分溶解NaCl纳米颗粒，洗涤干燥得到多孔PDMS膜。
本发明的有益效果为：
(1)利用柔性压力传感元件的花瓣形状，结合弧线边缘缠绕柔性温度传感纤维的结构，凭借紧邻但不接触的空间位置关系实现了对目标刺激信号的单一响应，互不串扰。
(2)蜿蜒状的柔性温度传感元件、导通件的布置及柔性衬底的组合使用，实现了传感器在拉伸应变下对温度和压力信号的准确检测，同时赋予器件以优异的用户舒适度和体验感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开至少一实施例中柔性触觉传感构件在柔性可拉伸衬底中的分布示意图。
图2为本公开至少一实施例中单响应的柔性压力传感元件和单响应的柔性温度传感元件的电极引出示意图。
图3为本公开至少一实施例中柔性触觉传感构件的立体图。
图中：
10、柔性触觉传感构件；11、单响应的柔性压力传感元件；12、单响应的柔性温度传感元件；111、上层电极；112、多孔介电材料；113、下层电极；
20、导通件；
30、柔性可拉伸衬底。
具体实施方式
下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。
在实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
另外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，安装、连接和相连等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至3所示，本公开至少一实施例提供一种柔性传感器，包括：柔性触觉传感构件10、导通件20和柔性可拉伸衬底30；其中，柔性触觉传感构件10呈阵列排布在柔性可拉伸衬底30上，且柔性触觉传感构件10配置为通过导通件20引出输出端作为电学信号传输通道，柔性触觉传感构件10与导通件20形成岛桥式结构。柔性触觉传感构件具有16个，且16个柔性触觉传感构件呈矩形阵列分布。
示例性地，导通件20采用导线，导线同样设置成蜿蜒状。
在本实施例中，柔性触觉传感构件10包含有：单响应的柔性压力传感元件11和单响应的柔性温度传感元件12。示例性地，单响应的柔性压力传感元件11包含有上层电极111、多孔介电材料112和下层电极113。单响应的柔性温度传感元件12的两个电极均连有导线引出输出端作为电学信号传输通道；上层电极111和下层电极113分别单独连有导线引出输出端作为电学信号传输通道。
在本实施例中，单响应的柔性温度传感元件12呈线状设置。单响应的柔性压力传感元件11呈花瓣状设置，且单响应的柔性压力传感元件11具有四个瓣部，四个瓣部呈环形阵列分布，在实现大面积接触传感的同时为单响应的柔性温度传感元件12提供了可蜿蜒排布的边缘。
在本实施例中，单响应的柔性温度传感元件12具有一定柔韧性，可排布在单响应的柔性压力传感元件11周围。
在本实施例中，单响应的柔性温度传感元件12呈蜿蜒状地围绕在单响应的柔性压力传感元件11的周围。单响应的柔性压力传感元件11和单响应的柔性温度传感元件12之间具有间隙。单响应的柔性压力传感元件11的高度与单响应的柔性温度传感元件12的直径长度数值相同。单响应的柔性压力传感元件11边缘呈弧形，单响应的柔性温度传感元件12以较小间距包裹在其周围且空间上并且不接触，因此在接触按压传感器时可同时检测并区分信号。导通件20呈蜿蜒状，结合柔性可拉伸衬底，赋予器件在拉伸应变下的检测能力。
在一些实施例中，柔性可拉伸衬底30为PDMS衬底。
在一些实施例中，柔性可拉伸衬底30为TPU衬底。
在一些实施例中，柔性可拉伸衬底30为SEBS衬底。
本实施例提供的一种柔性传感器可运用在柔性可穿戴的电子设备上。
为了进一步说明本发明，下面对本发明提供的一种柔性传感器的制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本公开至少一实施例还提供一种柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.65g的TPU，加入2.6g的DMF溶剂，室温搅拌2h得到20wt％的TPU粘稠溶液，加入0.35g的CNT纳米粉末，超声处理30min，机械搅拌10min，得到均匀粘稠的CNT/TPU纺丝原液。
(2)将2ml纺丝原液从内径为0.41mm的注射器中以0.3ml/min的挤出速度注入到去离子水凝固浴中，挤出后，在凝固浴中浸泡12h，收集后用去离子水洗涤数次，置于室温下干燥。
(3)将固化成型的CNT/TPU纤维放置在烘箱内以100℃退火处理2h，得到柔性温度传感纤维。
(4)将5ml的PDMS与0.5ml的固化剂充分混合，加入20.8g的NaCl纳米颗粒，机械搅拌30min，经真空脱泡处理后将混合液浇注于以PET膜为基底的花瓣状模具中，膜的厚度控制在1mm，将其置于烘箱内以80℃固化4h，得到PDMS膜。
(5)将固化后的PDMS膜在温水中浸泡3h，充分溶解掉NaCl纳米颗粒，再用去离子水洗涤3次，经真空烘箱干燥后得到多孔PDMS膜，作为柔性压力传感元件的介电层。
(6)将制备好的多孔PDMS膜呈矩形阵列排布在PET基底上，利用掩模版法镀一层金电极作为下端电极。
(7)在水溶性胶带上镀上蜿蜒状导线，并覆上带有一端电极的多孔PDMS膜，导线连接位置对应压力传感元件下端电极引线，将整体取下。
(8)在此水溶性胶带上涂一层厚度小于多孔PDMS膜的聚酰亚胺膜，然后利用掩模版法在多孔PDMS膜另一侧镀一层金电极作为上端电极。
(9)利用二维位移台和线轴装置在水溶性胶带上排列设计好的柔性温度传感元件。
(10)在另一片水溶性胶带上镀上蜿蜒状导线，然后将胶带覆于步骤9中制备的部件表面，导线连接位置分别对应压力传感元件上端电极引线和温度传感元件两端电极引线。
(11)将两面水溶性胶带依次溶解于水中，以10：1的体积比添加PDMS与固化剂，混合均匀，经真空脱泡处理后利用丝网印刷技术将混合液涂覆于器件表面，在80℃下固化4h，两面同样操作，即得柔性传感器。
实施例2
本实施例的柔性传感器的制备过程与实施例1大致相同，区别仅在于，步骤(11)将两面水溶性胶带依次溶解于水中，以1：10的质量比添加TPU颗粒与THF溶剂，室温搅拌2h得到均匀透明混合液，利用丝网印刷技术将混合液涂覆于器件表面，在通风橱中静置过夜，待大部分溶剂挥发后转移至真空烘箱，在50℃、-0.09MPa下干燥2h，两面同样操作，即得柔性传感器。
实施例3
本实施例的柔性传感器的制备过程与实施例1大致相同，区别仅在于，步骤(11)将两面水溶性胶带依次溶解于水中，制备10wt％SEBS的甲苯溶液，室温搅拌2h，利用丝网印刷技术将溶液涂覆于器件表面，将其置于真空烘箱内以100℃固化1h，两面同样操作，即得柔性传感器。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一些实施例”、“其他实施例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经出示和描述了本申请的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。
Claims (10)
1.一种柔性传感器，其特征在于，包括：
至少一个柔性触觉传感构件；
至少一个导通件；以及
柔性可拉伸衬底；
其中，所述至少一个柔性触觉传感构件呈阵列排布在所述柔性可拉伸衬底上，且所述至少一个柔性触觉传感构件配置为通过所述至少一个导通件引出输出端作为电学信号传输通道，所述至少一个柔性触觉传感构件与所述至少一个导通件形成岛桥式结构。
2.根据权利要求1所述的一种柔性传感器，其特征在于，所述柔性触觉传感构件包含有：
至少一个柔性压力传感元件；以及
至少一个柔性温度传感元件。
3.根据权利要求2所述的一种柔性传感器，其特征在于，所述柔性温度传感元件呈线状设置。
4.根据权利要求3所述的一种柔性传感器，其特征在于，所述柔性压力传感元件呈花瓣状设置，所述柔性温度传感元件呈蜿蜒状围绕在所述柔性压力传感元件的周围。
5.根据权利要求4所述的一种柔性传感器，其特征在于，所述柔性压力传感元件和柔性温度传感元件之间具有间隙。
6.根据权利要求5所述的一种柔性传感器，其特征在于，所述柔性压力传感元件的高度与所述柔性温度传感元件的直径长度数值相同。
7.根据权利要求6所述的一种柔性传感器，其特征在于，所述柔性可拉伸衬底为PDMS衬底、TPU衬底或SEBS衬底中的一种。
8.权利要求1-7任一项所述的柔性传感器在柔性可穿戴的电子设备中的应用。
9.一种制备如权利要求1-7中任一项所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.以DMF为溶剂配置TPU溶液，将CNT纳米粉末加入到TPU溶液中，经超声搅拌获得均匀的混合纺丝原液，将混合纺丝原液以一定流速从注射泵挤出到凝固浴中，固化成型后进行退火处理，得到纤维状柔性温度传感元件；
S2.将PDMS/NaCl溶液经真空脱泡处理后，浇注于以PET膜为基底的花瓣状模具中，固化成膜，再将固化膜浸入水溶液中溶解脱除NaCl纳米颗粒，经去离子水洗涤后得到PDMS多孔花瓣膜，作为柔性压力传感元件的介电层；
S3.将多孔花瓣膜按阵列排布在PET基底上，利用掩模版法在多孔花瓣膜上镀一层金电极作为柔性压力传感元件的下端电极，然后借助水溶性胶带在下端电极位置镀上蜿蜒状导线，将整体取下；
S4.在此水溶性胶带上涂一层厚度小于多孔花瓣膜的聚酰亚胺膜，利用掩模版法在其另一侧镀一层金电极作为柔性压力传感元件的上端电极，然后使用二维位移台和线轴装置在水溶性胶带上排列设计好柔性温度传感元件，再借助水溶性胶带在对应柔性压力传感元件上端电极和柔性温度传感元件两端位置镀上蜿蜒状导通件；
S5.依次溶解两面水溶性胶带，用柔性衬底材料对表面进行封装，即得柔性传感器。
10.根据权利要求9所述的一种柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的具体步骤为：将2ml纺丝原液从内径为0.41mm的注射器中以0.3ml/min的挤出速度注入到去离子水凝固浴中，挤出后，在凝固浴中浸泡12h，收集后用去离子水洗涤数次，置于室温下干燥；
所述步骤S1中退火处理的具体步骤为：将固化成型的CNT/TPU纤维放置在烘箱内以100℃退火处理2h；
所述步骤S2中的具体步骤为：将PDMS与固化剂充分混合后，加入NaCl纳米颗粒于预聚物中，PDMS与NaCl质量比为1：4，机械搅拌30min，真空脱泡后，将其浇注于PET基底上，用模具控制制得膜的厚度为1mm，置于烘箱内以80℃固化4h，将固化后PDMS膜浸入温水中，充分溶解NaCl纳米颗粒，洗涤干燥得到多孔PDMS膜。
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