CN209689798U - 一种纹理识别压力传感器阵列 - Google Patents

Abstract

一种纹理识别压力传感器阵列，该传感器阵列包括压力敏感层、分别设置在压力敏感层两侧的两个电极层和包裹压力敏感层与电极层的聚合物弹性体，压力敏感层包括激光诱导多孔石墨烯薄膜，聚合物弹性体填充于激光诱导多孔石墨烯薄膜的孔隙内，激光诱导多孔石墨烯薄膜形成图形化阵列结构，压力敏感层一侧的电极层包括对应于图形化阵列结构设置的横向电极阵列，压力敏感层另一侧的电极层包括对应于图形化阵列结构设置的纵向电极阵列，横向电极阵列和纵向电极阵列电极在图形化阵列结构所在的压力敏感区交错分布。由此实现微尺寸、高密度、可检测压力大小和分布的压力传感器阵列，具有阵列化压力触觉感知能力和纹理识别功能。

Description

一种纹理识别压力传感器阵列

技术领域

本实用新型涉及柔性触觉传感器领域，特别是一种纹理识别压力传感器阵列。

背景技术

随着大数据和物联网技术的发展，对传感器的功能和检测位置的要求越来越高。柔性触觉传感器阵列具有压力感知、形状感知和纹理识别的能力和柔顺性，可以作为电子皮肤，用于机器人执行器或智能假肢表面，为智能机器人及残疾人提供触觉信息；也可用于可穿戴设备，实现人机交互、生理信号检测等功能。

然而，如何使触觉传感器阵列实现高密度、图形化纹理结构和形状的压力识别，是现有技术亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种纹理识别压力传感器阵列。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种纹理识别压力传感器阵列，包括压力敏感层、分别设置在所述压力敏感层两侧的两个电极层和包裹所述压力敏感层与所述电极层的聚合物弹性体，所述压力敏感层包括激光诱导多孔石墨烯薄膜，聚合物弹性体填充于所述激光诱导多孔石墨烯薄膜的孔隙内，所述激光诱导多孔石墨烯薄膜形成图形化阵列结构，所述压力敏感层一侧的电极层包括对应于所述图形化阵列结构设置的横向电极阵列，所述压力敏感层另一侧的电极层包括对应于所述图形化阵列结构设置的纵向电极阵列，所述横向电极阵列和所述纵向电极阵列电极在所述图形化阵列结构所在的压力敏感区交错分布。

进一步地：

所述电极层包括由导电银浆、导电碳浆或PEDOT:PSS导电聚合物形成的印刷电极，所述横向电极阵列和所述纵向电极阵列由所述印刷电极形成。

所述电极层还包括与所述印刷电极相连的FPC连线电极。

所述聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷PDMS弹性体。

所述激光诱导石墨烯薄膜11的孔隙率为25％-90％。

所述图形化阵列结构包括呈阵列化排布的多个矩形单元，所述图形化阵列结构的单元边长为50-500μm，单元间距为50-500μm，厚度为40-200μm。

所述横向电极阵列和所述纵向电极阵列的电极宽度与所述图形化阵列结构的单元边长一致，电极间距与单元间距一致，厚度为8-24μm。

所述聚合物弹性体包括中间层和两侧包覆层，所述中间层为由正己烷稀释后形成的PDMS薄膜，所述两侧包覆层为未经稀释的PDMS薄膜，所述中间层和所述两侧包覆层形成为一体，所述中间层分布于所述图形化阵列结构的单元之间，所述中间层的厚度小于所述图形化阵列结构的单元的厚度但相差不大于20μm。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型提供了一种纹理识别压力传感器阵列，其中压力敏感层包括激光诱导多孔石墨烯薄膜，所述激光诱导多孔石墨烯薄膜形成图形化阵列结构，且聚合物弹性体填充于所述激光诱导多孔石墨烯薄膜的孔隙内，所述压力敏感层两侧的电极层分别对应于所述图形化阵列结构设置横向电极阵列和纵向电极阵列，在压力敏感区交错分布，单个敏感单元结构构成由电极-激光诱导石墨烯-电极组成的“三明治结构”，而聚合物弹性体同时作为激光诱导石墨烯的孔隙填充材料(与激光诱导石墨烯相结合形成敏感层)和电极外的包裹材料，由此，本实用新型提供了一种能够实现微尺寸、高密度、可检测压力大小和分布的压力传感器阵列，该压力传感器阵列具有阵列化的压力触觉感知能力和纹理识别功能，能够将纹理结构的压力分布转化为传感器阵列电阻变化输出，可实现图形化纹理结构和形状的压力识别，并具有激光诱导石墨烯的高压力灵敏特性，适用于电子皮肤、触觉传感器和可穿戴设备等，适于心音、脉搏波等生理信号检测的动态识别。该传感器还可实现其他形式的触觉压力感知。

具体地，本实用新型传感器在受到垂直于传感器表面压力作用时，聚合物弹性体结构层和激光诱导石墨烯敏感材料发生形变，使得多孔的导电材料中的接触面积增大，间距减小，传感器电阻降低。优化的传感器单元压力灵敏度可达0.211kPa^-1，压力测试范围为0-50kPa，可以实现空间分辨率为0.5mm的压力间距和纹理尺寸检测。将传感器阵列按压在具有凸起纹理的物体表面，根据阵列单元受压力后输出的电阻变化，可以利用压力分布实现纹理结构和形状的识别。将传感器按压在人体腕部桡动脉处的皮肤表面，可通过检测脉搏波动时产生的压力变化来检测脉搏压力波。传感器单元具有较好的分辨率、稳定性和动态响应。

该传感器阵列可以利用激光直写加工技术、印刷电子技术等实现无光刻工艺的高密度传感器阵列制作。

附图说明

图1为本实用新型实施例的激光诱导石墨烯纹理识别传感器阵列爆炸结构示意图；

图2为本实用新型实施例的激光诱导石墨烯纹理识别传感器阵列敏感区剖面示意图；

图3为本实用新型实施例的激光诱导石墨烯纹理识别传感器阵列中间敏感材料示意图；

图4为本实用新型实施例的激光诱导石墨烯纹理识别传感器阵列中间敏感材料结构厚度示意图；

图5为本实用新型实施例的制作激光诱导石墨烯纹理识别传感器阵列的流程示意图。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

参阅图1至图4，在一种实施例中，一种纹理识别压力传感器阵列，包括压力敏感层1、分别设置在所述压力敏感层1两侧的两个电极层2、3和包裹所述压力敏感层1与所述电极层2、3的聚合物弹性体22、32，所述压力敏感层1包括激光诱导多孔石墨烯薄膜11，聚合物弹性体12填充于所述激光诱导多孔石墨烯薄膜11的孔隙内，所述激光诱导多孔石墨烯薄膜11形成图形化阵列结构，所述压力敏感层1一侧的电极层2包括对应于所述图形化阵列结构设置的横向电极阵列，所述压力敏感层1另一侧的电极层3包括对应于所述图形化阵列结构设置的纵向电极阵列，所述横向电极阵列和所述纵向电极阵列电极在所述图形化阵列结构所在的压力敏感区交错分布。

在优选的实施例中，所述电极层2、3包括由导电银浆、导电碳浆或PEDOT:PSS导电聚合物形成的印刷电极21、31，所述横向电极阵列和所述纵向电极阵列由所述印刷电极21、31形成。

在优选的实施例中，所述电极层2、3还包括与所述印刷电极21、31相连的FPC连线电极23、33。

在优选的实施例中，所述聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷PDMS弹性体。

在优选的实施例中，所述激光诱导石墨烯薄膜11的孔隙率为25％-90％。

在优选的实施例中，所述图形化阵列结构包括呈阵列化排布的多个矩形单元，所述图形化阵列结构的单元边长为50-500μm，单元间距为50-500μm，厚度为40-200μm。

在优选的实施例中，所述横向电极阵列和所述纵向电极阵列的电极宽度与所述图形化阵列结构的单元边长一致，电极间距与单元间距一致，电极厚度为8-24μm。

在优选的实施例中，所述聚合物弹性体包括中间层和两侧包覆层，所述中间层为由正己烷稀释后形成的PDMS薄膜，所述两侧包覆层为未经稀释的PDMS薄膜，所述中间层和所述两侧包覆层形成为一体，所述中间层分布于所述图形化阵列结构的单元之间，所述中间层的厚度小于所述图形化阵列结构的单元的厚度但相差不大于20μm。

参阅图5，一种所述的纹理识别压力传感器阵列的制作方法，包括以下步骤：

S1、准备聚酰亚胺薄膜4；

S2、使用图形化的掩模5，用激光扫描烧蚀聚酰亚胺薄膜4，形成图形化的激光诱导多孔石墨烯薄膜11；

S3、在激光诱导多孔石墨烯薄膜11和聚酰亚胺薄膜4表面形成PDMS薄膜12；

S4、使用刻蚀掩模，刻蚀去除激光诱导多孔石墨烯薄膜11表面多余的PDMS薄膜；

S5、在激光诱导多孔石墨烯薄膜11的表面制作电极21、23；

S6、在制作了电极21、23的结构表面形成一层PDMS薄膜22；

S7、将聚酰亚胺薄膜4去除；

S8、在去除聚酰亚胺薄膜后暴露的激光诱导多孔石墨烯薄膜11的表面制作电极31、33；

S9、在步骤S9制作了电极31、33的结构表面形成另一层PDMS薄膜32。

较佳地，步骤S3的PDMS薄膜12由正己烷稀释后形成，步骤S6和S9的PDMS薄膜22、32未稀释直接形成。

以下结合附图进一步描述本实用新型具体实施例的特征和优点。

如图1至图4所示，一种具体实施例的激光诱导石墨烯纹理识别传感器阵列，包括压力敏感材料、电极材料和聚合物弹性体材料，压力敏感材料为激光诱导石墨烯，激光诱导石墨烯由激光烧蚀聚合物薄膜生成，聚合物薄膜的材质为聚酰亚胺(PI)。压力敏感材料激光诱导石墨烯由聚合物弹性体如PDMS填充并包裹。电极材料可为丝网印刷的导电银浆固化成型。单个敏感单元结构为导电银浆-激光诱导石墨烯-导电银浆组成的“三明治结构”，PDMS作为激光诱导石墨烯的孔隙填充材料和导电银浆外的封装材料。

所述激光诱导石墨烯由激光烧蚀聚酰亚胺薄膜诱导生成，并使用聚二甲基硅氧烷PDMS填充、固化包裹。可经过PDMS干法刻蚀、聚酰亚胺湿法刻蚀后，激光诱导石墨烯/PDMS结构层的导电界面暴露，则电极结构使用丝网印刷直接印刷在激光诱导石墨烯薄膜两侧，形成“三明治”结构。

如图1至图4所示，该实施例的传感器包括压力敏感层1、电极层2、3和PDMS聚合物弹性体12、22、32，压力敏感层1包括激光诱导石墨烯11，电极层2、3包括导电银浆电极21、31和FPC电极23、33，其中激光诱导石墨烯11形成图形化阵列结构，PDMS聚合物弹性体12与图形化阵列结构位于同一层面相结合形成压力敏感区。电极层2、3按图示箭头方向与压力敏感层1结合，形成“三明治”结构的传感器阵列。

压力敏感区的剖视图如图2所示，压力敏感区由PDMS聚合物弹性体12和激光诱导石墨烯11组成，与电极层2的分界线为导电银浆电极21的下表面，与电极层3的分界线如图2中虚线处所示。激光诱导石墨烯11由PDMS聚合物弹性体12填充，导电的结构为多孔结构，且在上、下表面由银浆电极连接，并被PDMS聚合物弹性体22、32从上下两侧包裹。

如图3所示，显示了图形为矩形的激光诱导石墨烯薄膜11阵列，且具有一定厚度。压力敏感层1的剖视图如图4所示，较佳地，其中激光诱导石墨烯11薄膜厚度(t2+t3)为40-200μm，PDMS聚合物弹性体12厚度(t1)与t2相差小于20μm。独立单元为边长(t4)50-500μm，单元间距(t5)50-500μm。

较佳地，印刷的导电银浆电极厚度为8-24μm，宽度与单元边长长度(t4)一致，间距与单元间距(t5)一致。

较佳地，FPC23，33是由PET衬底制作的柔性电路板。

参阅图5，一种制作的多孔石墨烯心音检测传感器的方法，包括以下步骤：

S1、清洗并固定聚酰亚胺薄膜4；

S2、使用图形化的不锈钢金属掩模5作为激光掩模，使用连续扫描烧蚀的CO₂烧蚀聚酰亚胺薄膜4，形成图形化的激光诱导石墨烯薄膜11；

S3、使用正己烷稀释的PDMS，在激光诱导石墨烯薄膜11和聚酰亚胺薄膜4表面旋涂形成PDMS薄膜12；

S4、使用不锈钢金属掩模5作为刻蚀掩模，通过对准标记使得其镂空图形与激光诱导石墨烯薄膜11对准。使用耦合等离子体刻蚀(ICP)，进行PDMS刻蚀，去除激光诱导石墨烯薄膜11表面多余的PDMS薄膜12，刻蚀气体为O₂、SF₆；或者使用CO₂激光代替ICP，直接进行PDMS刻蚀；

S5、使用丝网印刷机和带有电极图案的印刷网版，将导电银浆电极21印刷在激光诱导石墨烯薄膜11表面，并将FPC连接线23粘接在电极末端；

S6、在表面旋涂一层PDMS薄膜结构22并固化，封装其余结构；

S7、使用乙醇胺、氢氧化钾的去离子水混合溶液，将聚酰亚胺薄膜4刻蚀去除；

S8、使用丝网印刷机和带有电极图案的印刷网版，将导电银浆电极31印刷在激光诱导石墨烯薄膜11表面，并将FPC连接线33粘接在电极末端；

S9、在表面旋涂一层PDMS薄膜结构32并固化，封装其余结构，完成传感器制作。

利用激光加工工艺高精度的直写图形化能力，实现高密度的激光诱导石墨烯阵列图形化加工，实现低成本的压敏图形阵列制作。

较佳地，激光的波长为405nm-10.6μm，功率为4-10W可调。更优选地，激光为二氧化碳激光(波长10.6μm)。激光烧蚀聚合物薄膜的相对运动速率为50mm/s到500mm/s。

较佳地，聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷PDMS，使用旋涂法形成薄膜。旋涂转速为500-4000rpm。其中PDMS薄膜12由正己烷稀释后形成，PDMS薄膜22、32则未稀释直接形成，热固化温度为60-120℃，时间为30-120min。

较佳地，在导电银浆电极21，31印刷后将FPC23，33相对于电极接口与银浆贴合，固化银浆实现连接。

如图5所示，在具体制作时，首先清洗并固定聚酰亚胺薄膜4。使用图形化的不锈钢金属掩模5作为激光掩模，使用连续扫描烧蚀的CO₂烧蚀聚酰亚胺薄膜4，形成图形化的激光诱导石墨烯薄膜11；使用正己烷稀释的PDMS(质量比1:1)，在激光诱导石墨烯薄膜11和聚酰亚胺薄膜4表面旋涂形成PDMS薄膜12；使用不锈钢金属掩模5作为刻蚀掩模，通过对准标记使得其镂空图形与激光诱导石墨烯薄膜11对准。使用耦合等离子体刻蚀(ICP)，进行PDMS刻蚀，去除激光诱导石墨烯薄膜11表面多余的PDMS薄膜12，刻蚀气体为O₂、SF₆；使用丝网印刷机和带有电极图案的印刷网版，将导电银浆电极21印刷在激光诱导石墨烯薄膜11表面，并将FPC连接线23粘接在电极末端，在120℃条件下固化导电银浆；在表面旋涂一层PDMS薄膜结构22并固化，封装其余结构；使用乙醇胺、氢氧化钾的去离子水混合溶液，将聚酰亚胺薄膜4刻蚀去除；使用丝网印刷机和带有电极图案的印刷网版，将导电银浆电极31印刷在激光诱导石墨烯薄膜11表面，并将FPC连接线33粘接在电极末端；在表面旋涂一层PDMS薄膜结构32并固化，封装其余结构，完成传感器制作。

制作实例

本例中制作了单元尺寸为250×250μm²，间距为250μm的传感器阵列，阵列密度为20×20cm^-2，如图5所示，该激光诱导石墨烯纹理识别传感器阵列制作过程如下：

S1，使用丙酮、异丙醇、去离子水溶液超声清洗75μm厚的聚酰亚胺薄膜4，用氮气吹干后烘干。

S2，使用10.6μm波长的二氧化碳激光6，按照功率6W，烧蚀速度225mm/s的参数，透过不锈钢金属掩模5，烧蚀生成单元尺寸为250×250μm²，间距为250μm，密度为20×20cm^-2的激光诱导石墨烯作为传感器敏感材料。

S3，用正己烷按质量比1:1稀释PDMS，并按4000rpm的转速将稀释后的PDMS溶液旋涂在传感器表面。静置30分钟，于热板上用80℃加热10分钟，再将整片器件置于80℃烘箱中加热2小时，使PDMS固化形成PDMS薄膜。

S4，使用不锈钢金属掩模5作为刻蚀掩模，通过对准标记使得其镂空图形与激光诱导石墨烯薄膜11对准。使用耦合等离子体刻蚀(ICP)，进行PDMS刻蚀，去除激光诱导石墨烯薄膜11表面多余的PDMS薄膜12，刻蚀气体为O₂(40sccm)、SF₆(45sccm)，上、下电极加载功率分别为300W、50W，工艺腔室压力8mTorr，刻蚀总时长2400s。

S5、使用丝网印刷机和带有电极图案的印刷网版，将导电银浆电极21印刷在激光诱导石墨烯薄膜11表面，并将FPC连接线23粘接在电极末端。印刷位网版间距2.5mm，刮刀下压距离23.5mm，刮印速度60mm/s，回墨速度100mm/s。印刷后的导电银浆需置于135℃烘箱中加热45分钟以固化银浆。

S6、在表面旋涂一层PDMS薄膜结构22并在120℃条件下加热2小时固化，封装其余结构。

S7、使用乙醇胺、氢氧化钾的去离子水混合溶液(质量比2:3:5)，在80℃水浴条件下，将聚酰亚胺薄膜4刻蚀去除。

S8、使用丝网印刷机和带有电极图案的印刷网版，将导电银浆电极31印刷在激光诱导石墨烯薄膜11表面，并将FPC连接线33粘接在电极末端。参数与S5相同。

S9、在表面旋涂一层PDMS薄膜结构32并固化，封装其余结构，参数与S6相同。完成传感器制作。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种纹理识别压力传感器阵列，其特征在于，包括压力敏感层、分别设置在所述压力敏感层两侧的两个电极层和包裹所述压力敏感层与所述电极层的聚合物弹性体，所述压力敏感层包括激光诱导多孔石墨烯薄膜，聚合物弹性体填充于所述激光诱导多孔石墨烯薄膜的孔隙内，所述激光诱导多孔石墨烯薄膜形成图形化阵列结构，所述压力敏感层一侧的电极层包括对应于所述图形化阵列结构设置的横向电极阵列，所述压力敏感层另一侧的电极层包括对应于所述图形化阵列结构设置的纵向电极阵列，所述横向电极阵列和所述纵向电极阵列电极在所述图形化阵列结构所在的压力敏感区交错分布。

2.如权利要求1所述的纹理识别压力传感器阵列，其特征在于，所述电极层包括由导电银浆、导电碳浆或PEDOT:PSS导电聚合物形成的印刷电极，所述横向电极阵列和所述纵向电极阵列由所述印刷电极形成。

3.如权利要求2所述的纹理识别压力传感器阵列，其特征在于，所述电极层还包括与所述印刷电极相连的FPC连线电极。

4.如权利要求1至3任一项所述的纹理识别压力传感器阵列，其特征在于，所述聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷PDMS弹性体。

5.如权利要求1至3任一项所述的纹理识别压力传感器阵列，其特征在于，所述激光诱导石墨烯薄膜11的孔隙率为25％-90％。

6.如权利要求1至3任一项所述的纹理识别压力传感器阵列，其特征在于，所述图形化阵列结构包括呈阵列化排布的多个矩形单元，所述图形化阵列结构的单元边长为50-500μm，单元间距为50-500μm，厚度为40-200μm。

7.如权利要求6所述的纹理识别压力传感器阵列，其特征在于，所述横向电极阵列和所述纵向电极阵列的电极宽度与所述图形化阵列结构的单元边长一致，电极间距与单元间距一致，电极厚度为8-24μm。

8.如权利要求1至3任一项所述的纹理识别压力传感器阵列，其特征在于，所述聚合物弹性体包括中间层和两侧包覆层，所述中间层为由正己烷稀释后形成的PDMS薄膜，所述两侧包覆层为未经稀释的PDMS薄膜，所述中间层和所述两侧包覆层形成为一体，所述中间层分布于所述图形化阵列结构的单元之间，所述中间层的厚度小于所述图形化阵列结构的单元的厚度但相差不大于20μm。