CN107748024A - 一种微图案化的柔性触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种微图案化的柔性触觉传感器及其制备方法，其中，微图案化的柔性触觉传感器包括若干个压力传感单元；压力传感单元由两片柔性且可伸缩的基板、相对设置于两片基板之间并分别与基板的内表面相连的两片电极，以及设置于两片电极之间的介电层组成；基板的内表面采用微图案处理设有荷叶微图案，基板材质为聚二甲硅氧烷；介电层由若干聚苯乙烯微球组成，介电层和电极与基板之间分别通过范德华力相贴合以实现封装；各压力传感单元利用等离子体处理机采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列，本发明微图案化的柔性触觉传感器及其制备方法具有很好的稳定性和非常好的传感性能，成本低，可实现量化生产，且具有突出的弹性能力和超低的弹性模量。

Description

一种微图案化的柔性触觉传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及皮肤触觉传感器技术领域，具体涉及一种微图案化的柔性触觉传感器及其制备方法。

背景技术

触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，柔性触觉传感器是实现电子皮肤技术的关键技术，其目的是模拟人类的感知能力，拥有卓越的发展前景。

目前，随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的柔性触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。

随着智能穿戴式电子设备变得越来越流行，在生产和研发过程中，其大量的工作一直致力于实现以满足智能穿戴式电子设备所需的高灵敏度的柔性触觉传感器。触觉传感器是一种能有效感知周围环境的传感器，它通常有很广的检测范围，单目前应用于该行业的触觉传感器，反应缓慢，灵敏度不高，从而制约着智能穿戴式电子设备行业的发展。

因此，利用新型微结构的电子材料以实现高性能的触觉传感器是目前非常有意义，及亟待解决的课题。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种微图案化的柔性触觉传感器及其制备方法，以解决现有柔性触觉传感器灵敏度低，检测能力受限的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种微图案化的柔性触觉传感器，包括若干个压力传感单元；所述压力传感单元由两片柔性且可伸缩的基板、相对设置于两片基板之间并分别与基板的内表面相连的两片电极，以及设置于两片电极之间的介电层组成；所述基板的内表面采用微图案处理设有荷叶微图案，所述基板材质为聚二甲硅氧烷；所述介电层由若干聚苯乙烯微球组成，所述介电层和电极与基板之间分别通过范德华力相贴合以实现封装；各压力传感单元利用等离子体处理机采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述基板的尺寸为长0.8cm、宽0.8cm、厚0.01cm。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述电极为黄金材质的金电极，所述金电极的所采用的金颗粒尺寸为120nm。

本发明还提供了一种微图案化的柔性触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，制造柔性、可伸缩的，且内表面上具有荷叶微图案的两片基板；

步骤S2，按照传感器阵列中各压力传感器单元的分布位置，将电极分别设置于两片基板的内表面；

步骤S3，将聚苯乙烯微球设置于电极表面；

步骤S4，将两片基板相叠合，以使得各压力传感器单元的两片电极一一对应相贴合，且两片基板之间利用聚二甲硅氧烷分子间的范德华力相贴合以实现封装。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S1中制造柔性、可伸缩的，且内表面上具有荷叶微图案的两片基板的具体步骤包括：

步骤S11，将固化剂与碱基单体充分混合，以制备聚二甲硅氧烷的预聚体，其中固化剂与碱基单体的重量比为10∶1；

步骤S12，将预聚体在室温下真空中脱气10分钟去除气泡，以得到聚二甲硅氧烷的混合溶液；

步骤S13，将混合溶液旋涂到预清洗过的荷叶叶面上，并在70℃下固2小时化以制得柔性且可伸缩的具有微型图案的基板，其中旋涂转速为400rpm。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S2中将电极分别设置于两片基板的内表面具体包括：

通过掩膜版溅射纳米金颗粒于基板的内表面，并将纳米金颗粒凝结成型；

掩膜版溅射以形成所采用的金颗粒尺寸为120nm的电极，其中，所述纳米金颗粒的尺寸为120nm。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S3中聚苯乙烯微球采用旋涂法涂设于电极表面以形成电介质，所述旋涂转速为200rpm。

本发明的微图案化的柔性触觉传感器及其制备方法可以达到如下有益效果：

本发明的微图案化的柔性触觉传感器，通过包括若干个压力传感单元；所述压力传感单元由两片柔性且可伸缩的基板、相对设置于两片基板之间并分别与基板的内表面相连的两片电极，以及设置于两片电极之间的介电层组成；所述基板的内表面采用微图案处理设有荷叶微图案，所述基板材质为聚二甲硅氧烷；所述介电层由若干聚苯乙烯微球组成，所述介电层和电极与基板之间分别通过范德华力相贴合以实现封装；各压力传感单元利用等离子体处理机采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列，使得本发明的微图案化的柔性触觉传感器具有以下优点：

1、采用了天然荷叶上的微型结构，应用该微型结构使得柔性触觉传感器表面会更粗糙，接触点更多，从而提高了传感精度；

2、采用聚苯乙烯微球做电极间的介电层，具有突出的弹性能力和超低的弹性模量，可对各种外界刺激进行有效的放大和转换，对压力感应强且温度分辨率高；

3、具有很好的稳定性和非常好的传感性能，成本低，可实现量化生产。

本发明的微图案化的柔性触觉传感器的制备方法，通过包括步骤：步骤S1，制造柔性、可伸缩的，且内表面上具有荷叶微图案的两片基板；步骤S2，按照传感器阵列中各压力传感器单元的分布位置，将电极分别设置于两片基板的内表面；步骤S3，将聚苯乙烯微球设置于电极表面；步骤S4，将两片基板相叠合，以使得各压力传感器单元的两片电极一一对应相贴合，且两片基板之间利用聚二甲硅氧烷分子间的范德华力相贴合以实现封装，使得本发明的微图案化的柔性触觉传感器的制备方法具有以下优点：

1、采用了天然荷叶上的微型结构，应用该微型结构使得柔性触觉传感器表面会更粗糙，接触点更多，从而提高了传感精度；

2、采用聚苯乙烯微球做电极间的介电层，具有突出的弹性能力和超低的弹性模量，可对各种外界刺激进行有效的放大和转换，对压力感应强且温度分辨率高；

3、具有很好的稳定性和非常好的传感性能，成本低，可实现量化生产。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明微图案化的柔性触觉传感器提供的一实例的结构示意图；

图2为本发明微图案化的柔性触觉传感器的制备方法提供的一实例的方法流程图。

图中：1、基板，2、电极，3、介电层，31、聚苯乙烯微球。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1为本发明微图案化的柔性触觉传感器提供的一实例的结构示意图，如图1所示，微图案化的柔性触觉传感器包括若干个压力传感单元；所述压力传感单元由两片柔性且可伸缩的基板1、相对设置于两片基板1之间并分别与基板1的内表面相连的两片电极2，以及设置于两片电极2之间的介电层3组成；所述基板2的内表面采用微图案处理设有荷叶微图案，所述基板1材质为聚二甲硅氧烷；所述介电层3由若干聚苯乙烯微球31组成，所述介电层3和电极2与基板1之间分别通过范德华力相贴合以实现封装；各压力传感单元利用等离子体处理机采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列。

该实施例的微图案化的柔性触觉传感器具有以下优点：

1、采用了天然荷叶上的微型结构，应用该微型结构使得柔性触觉传感器表面会更粗糙，接触点更多，从而提高了传感精度；

2、采用聚苯乙烯微球做电极间的介电层，具有突出的弹性能力和超低的弹性模量，可对各种外界刺激进行有效的放大和转换，对压力感应强且温度分辨率高；

3、具有很好的稳定性和非常好的传感性能，成本低，可实现量化生产。

具体地，所示基板1的尺寸为长0.8cm、宽0.8cm、厚0.01cm，所述电极2为黄金材质的金电极，所述金电极的所采用的金颗粒尺寸为120nm，可以理解的是，此处的金电极尺寸为本实施例的优选尺寸，但在具体实施中，其不限于该尺寸，还可以为其它具体尺寸，在此不做一一例举。

本发明还提供了一种微图案化的柔性触觉传感器的制备方法，如图2所示，该制备方法包括以下步骤：

步骤S1，制造柔性、可伸缩的，且内表面上具有荷叶微图案的两片基板1；

步骤S2，按照传感器阵列中各压力传感器单元的分布位置，将电极2分别设置于两片基板1的内表面；

步骤S3，将聚苯乙烯微球4设置于电极2表面；

步骤S4，将两片基板1相叠合，以使得各压力传感器单元的两片电极2一一对应相贴合，且两片基板1之间利用聚二甲硅氧烷分子间的范德华力相贴合以实现封装。

该实施例的微图案化的柔性触觉传感器的制备方法具有以下优点：

1、采用了天然荷叶上的微型结构，应用该微型结构使得柔性触觉传感器表面会更粗糙，接触点更多，从而提高了传感精度；

2、采用聚苯乙烯微球做电极间的介电层，具有突出的弹性能力和超低的弹性模量，可对各种外界刺激进行有效的放大和转换，对压力感应强且温度分辨率高；

3、具有很好的稳定性和非常好的传感性能，成本低，可实现量化生产。

具体实施中，所述步骤S1中制造柔性、可伸缩的，且内表面上具有荷叶微图案的两片基板1的具体步骤包括：

步骤S11，将固化剂与碱基单体充分混合，以制备聚二甲硅氧烷的预聚体，其中固化剂与碱基单体的重量比为10∶1；

步骤S12，将预聚体在室温下真空中脱气10分钟去除气泡，以得到聚二甲硅氧烷的混合溶液；

步骤S13，将混合溶液旋涂到预清洗过的荷叶叶面上，并在70℃下固2小时化以制得柔性且可伸缩的具有微型图案的基板1，其中旋涂转速为400rpm。

该实例中，荷叶作为模具，所选用的荷叶尺寸为4×4cm∧2，以制备尺寸为长0.8cm、宽0.8cm、厚0.01cm的基板，当然，根据需要，还可选用其他尺寸。另外，在步骤S13之前，所选用的荷叶需要进行预清洗处理。

在此需说明的是，上述仅提供了一种实现上述步骤S1的优选实时方式，但在具体实施中，本领域的技术人员可采用其它方式实现，只要能制备具有上述步骤S1中柔性、可伸缩的，且内表面上具有荷叶微图案的两片基板1即可，在此不做一一例举。

具体地，上述步骤S2中将电极2分别设置于两片基板1的内表面具体包括：

通过掩膜版溅射纳米金颗粒于基板的内表面，其中，所述纳米金颗粒的尺寸为120nm，当然，为了获得更小尺寸、更薄的电极，还可以采用更加微小的纳米金颗。

同理，上述仅提供了一种实现上述步骤S2的优选实时方式，但在具体实施中，本领域的技术人员可采用其它方式实现，只要能制备上述步骤S1中的将电极2分别设置于两片基板1的内表面即可，在此不做一一例举。

具体实施中，所述步骤S3中聚苯乙烯微球4采用旋涂法涂设于电极2表面以形成电介质，所述旋涂转速为200rpm。

为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，下面详述本实施例的结构特性。

荷叶在电子显微镜观察其叶片表面的微型结构时，会发现其叶片表面有一些微小突起，这种微小的突起属于微米级的微小的突起，然后这种微小的微米级的突起上面，又形成一种纳米级的突起。本发明的基板采用荷叶作为模具，将聚二甲硅氧烷旋涂于荷叶叶片表面，以实现基板的图案化处理，使得具有以下优点：

1)对比有无采用荷叶压印的微型图案化处理的传感器灵敏度优劣

经试验测，采用荷叶微型图案化处理的传感器，在小压力范围内观察到0.815kPa-1的高灵敏度值，灵敏度优于未经图案化处理的传感器。

2)对比有无微型图案化处理的传感器检测限度范围

经试验测，采用荷叶微图案化处理的传感器最低检测限高达(17.5Pa)并且响应时间短(≈38毫秒)，其优于未经微型图案化处理的结果。

3)采用微型图案化处理的传感器，检测弯曲和伸展力所具有的不同响应模式

经试验测，其结果表明拉伸(变形33％，响应时间10秒)、弯曲(120°，响应时间10秒)有不同的响应模式。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种微图案化的柔性触觉传感器，其特征在于，包括若干个压力传感单元；所述压力传感单元由两片柔性且可伸缩的基板、相对设置于两片基板之间并分别与基板的内表面相连的两片电极，以及设置于两片电极之间的介电层组成；所述基板的内表面采用微图案处理设有荷叶微图案，所述基板材质为聚二甲硅氧烷；所述介电层由若干聚苯乙烯微球组成，所述介电层和电极与基板之间分别通过范德华力相贴合以实现封装；各压力传感单元利用等离子体处理机采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列。

2.根据权利要求1所述的微图案化的柔性触觉传感器，其特征在于，所述基本的尺寸为长0.8cm、宽0.8cm、厚0.01cm。

3.根据权利要求1或2所述的微图案化的柔性触觉传感器，其特征在于，所述电极为黄金材质的金电极，所述金电极的所采用的金颗粒大小为120nm。

4.一种权利要求1至3任一项所述的微图案化的柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，制造柔性、可伸缩的，且内表面上具有荷叶微图案的两片基板；

步骤S2，按照传感器阵列中各压力传感器单元的分布位置，将电极分别设置于两片基板的内表面；

步骤S3，将聚苯乙烯微球设置于电极表面；

步骤S4，将两片基板相叠合，以使得各压力传感器单元的两片电极一一对应相贴合，且两片基板之间利用聚二甲硅氧烷分子间的范德华力相贴合以实现封装。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中制造柔性、可伸缩的，且内表面上具有荷叶微图案的两片基板的具体步骤包括：

步骤S11，将固化剂与碱基单体充分混合，以制备聚二甲硅氧烷的预聚体，其中固化剂与碱基单体的重量比为10∶1；

步骤S12，将预聚体在室温下真空中脱气10分钟去除气泡，以得到聚二甲硅氧烷的混合溶液；

步骤S13，将混合溶液旋涂到预清洗过的荷叶叶面上，并在70℃下固2小时化以制得柔性且可伸缩的具有微型图案的基板，其中旋涂转速为400rpm。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中将电极分别设置于两片基板的内表面具体包括：

通过掩膜版溅射纳米金颗粒于基板的内表面，并将纳米金颗粒凝结成型，其中，所述纳米金颗粒的尺寸为120nm。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中聚苯乙烯微球采用旋涂法涂设于电极表面以形成电介质，所述旋涂转速为200rpm。