一种可识别物体软硬的柔性压阻传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种可识别物体软硬的柔性压阻传感器及其制备方法和应用，所述柔性压阻传感器为双层结构，包括敏感材料层和柔性电极阵列层；所述敏感材料层的表面覆形微结构，且表面半包裹有敏感材料；所述柔性电极阵列层负载于所述敏感材料层的表面。所述敏感材料包括单壁碳纳米管(SWCNT)、银纳米线、导电炭黑中的任一种。通过采用本发明专利技术的技术方案，选用压阻式传感器并利用微金字塔结构的应力集中效应大幅提高其对压力感知的灵敏度，实现类似梅克尔细胞(SA

【技术实现步骤摘要】
一种可识别物体软硬的柔性压阻传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及人机交互
，具体地说是一种可识别物体软硬的柔性压阻传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]触觉传感器为机械手模仿人手功能感知外界信息提供了信号基础，这种人机交互(HMI)功能对提升机械手的抓取控制和智能感知至关重要。尽管传感器在模拟人的手的功能方面已经取得了进展，如手势识别和温度感知，但硬度识别的感知仍然是一个巨大的挑战。杨氏模量指物体发生弹性形变时正向应力与正向应变的比值，是用来衡量物体软硬程度的物理量，因此如何简便快捷的测量杨氏模量至关重要。目前，由于硬度感知机制的复杂性，用于测量杨氏模量的仪器通常由复杂且笨重的系统构成，这也限制其在人机交互领域的应用。柔性触觉传感器具有轻薄、柔软等优势，使其易于集成于机械手并适应各种应用场景，已逐渐取代传统硬质传感器成为重点研究方向。
[0003]目前，基于光学、压力、应变传感机理的触觉传感器被应用于材料硬度的识别，例如TangY等ACSApplMaterInterfaces，2021，13(3)：4560
‑
4566使用光学微/纳米纤维制备了紧凑型触觉传感器，能够将压力转换为可解释的光学信号，实现材料硬度识别；Beker L等Proc Natl Acad Sci USA，2020，117(21)：11314
‑
11320，公开了一种双层结构的传感器，由薄膜型应变传感器和电容型压力传感器组成，能够识别接触材料的顺应性。然而，基于光学的传感器易受到外界环境的影响，并且测试方法和设备较为复杂；基于触觉传感的电容型传感器寄生电容较大，信号容易受到干扰，限制了材料的测量种类。
[0004]中国专利技术专利CN108917995A公开了一种柔性压阻传感器，包括两个膜组件，所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS表面的rGO层构成，该膜组件正面具有金字塔阵列；两个膜组件正面相对，其表面的金字塔阵列相互嵌合。该专利技术采用互锁结构的金字塔结构的阵列结构，具有良好的机械稳定性能，但是，互锁结构反而导致在感知物体时应力分散，对不同软硬程度的物体不能响应高分辨率的反馈。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供可识别物体软硬的柔性压阻传感器及其制备方法和应用，旨在解决现有技术中触觉传感的电容型传感器寄生电容较大，信号容易受到干扰的问题，提供一种具有高灵敏度、高分辨率响应的传感器。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案。
[0007]本专利技术提供了一种可识别物体软硬的柔性压阻传感器，所述柔性压阻传感器为双层结构，包括敏感材料层和柔性电极阵列层；其中，所述敏感材料层的表面覆形微结构，并负载有导电颗粒材料；柔性电极阵列层，负载于所述敏感材料层的表面。所述柔性压阻传感器采用了具有阵列结构的接触电阻模型，仅采用双层的敏感材料层和电极阵列层，具有高灵敏和宽度的相应范围的特点。
[0008]优选地，单壁碳纳米管半包覆于所述敏感材料层的表面。
[0009]优选地，所述柔性电极阵列层的柔性材料包括聚酰亚胺(PI)、Ecoflex、聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的至少一种。
[0010]优选地，所述微结构的阵列通过光刻和等离子体刻蚀工艺制备而成的微金字塔结构或微半圆结构。
[0011]优选地，所述金字塔结构或微半圆结构的宽200～400μm，高100～200μm，间距100～200μm。
[0012]为实现另一个技术目的，本专利技术还提供了另一种技术方案：上述可识别物体软硬的柔性压阻传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
[0013]S1.提供具有微结构的硅模板作为衬底；
[0014]S2.制备敏感材料层；将分散后的单壁碳纳米管喷涂于所述硅模板表面，使单壁碳纳米管负载于所述硅模板，再将柔性材料旋涂于负载有单壁碳纳米管的所述硅模板上，并将单壁碳纳米管形成半包裹结构，固化后，所述硅模板剥离，得到所述敏感材料层；
[0015]S3.制备柔性电极层；以硅片作为衬底，将柔性材料旋涂于所述硅片上，固化后，再所述硅片表面形成柔性薄膜；将光刻胶旋涂于所述柔性薄膜，并经光刻
‑
电子束蒸镀工艺后得到柔性电极阵列结构，将所述硅片剥离后即得到柔性电极层；
[0016]S4.制备柔性压阻传感器；将所述敏感材料层和所述柔性电极层的组装贴合得到所述柔性压阻传感器。
[0017]优选地，S2中，将单壁碳纳米管分散于有机溶剂中形成浓度为0.05mg/mL分散液。
[0018]优选地，S2和S3中，固化采用程序升温模式，初始温度80℃，以每30min升温40℃，直至升温至280℃。
[0019]优选地，S3中，光刻
‑
电子束蒸镀工艺包括紫外光刻和电子束蒸镀。
[0020]优选地，S4中，所述柔性电极作为底层，将具有微金字塔结构的敏感材料层负载于叉指电极区域，组装、接线后将所述柔性压阻传感器贴附于半球形的底座顶面，得到所述柔性压阻传感器。
[0021]在触觉感知方面，人手能够通过机械感受器精确感知各种触觉信息，其中，Weber A.I.等Proc Natl Acad Sci USA，2013，110(42)：17107
‑
12中公开了SA
‑
I机械感受器(梅克尔细胞)在软硬感知中起到关键作用，它高密度的分布于皮肤的表层，能够精确感知施加于皮肤上的静态力。在硬度识别方面，赫兹模型利用接触力学理论，实现通过力
‑
位移曲线计算杨氏模量的方法，该模型也开辟了原子力显微镜和纳米压痕等微尺度力学表征领域。Timoshenko S等Theory Of Elasticity,2nd Ed[J]，McGraw
‑
Hill中公开了赫兹模型是描述刚性球体与弹性样品之间的接触过程的一种理想化模型，两物体接触时界面处作用力与物体模量的关系，当刚性球体与样品相接触时，如果界面处接触压力相同，则样品模量越大下压深度越小，弹性体的杨氏模量可表示为：
[0022][0023]其中F是样品与球体之间的接触力；R是刚性球体的半径；Δh是刚性球体的下压深度；E是样品模量；v是样品泊松比，对于不可压缩弹性材料可近似为常量(v≈0.5)。杨氏模
量(E)指物体发生弹性形变时正向应力与正向应变的比值，是用来衡量物体软硬程度的物理量，因此在压力F相同的情况下，Δh是公式中的唯一变量，样品的E可由Δh的大小进行判断，并且Δh越大样品模量越小。
[0024]鉴于此，基于上述原理的分析，本专利技术提供的压阻式柔性触觉传感器阵列(PFTSA)，由贴附于半球基底的柔性电极阵列层和具有微结构的敏感材料层构成，能够通过读取通道响应数测量材料杨氏模量，实现多种不同硬度物体的区分，有望实现机器人触觉系统的类人手感知，为智能触诊、物体分拣、人机交互的发展铺平道路。
[0025]本专利技术公开的可识别物体软硬的柔性压力传感器包括具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可识别物体软硬的柔性压阻传感器，其特征在于，所述柔性压阻传感器为双层柔性材料结构，包括
‑
敏感材料层；所述敏感材料层的表面覆形微结构，且所述敏感材料层以柔性材料为基底，表面半包裹有导电颗粒材料；
‑
柔性电极阵列层，负载于所述敏感材料层的表面。2.如权利要求1所述的可识别物体软硬的柔性压阻传感器，其特征在于，所述导电颗粒材料包括单壁碳纳米管(SWCNT)、银纳米线、导电炭黑中的任一种。3.如权利要求1或2所述的可识别物体软硬的柔性压阻传感器，其特征在于，所述微结构的阵列通过光刻和等离子体刻蚀工艺制备而成的微金字塔结构或微半圆结构。4.如权利要求3所述的可识别物体软硬的柔性压阻传感器，其特征在于，所述金字塔结构或微半圆结构的宽200～400μm，高100～200μm，间距100～200μm。5.如权利要求1或2所述的可识别物体软硬的柔性压阻传感器，其特征在于，所述柔性电极阵列层的柔性材料与所述敏感材料层的柔性材料相同或不同；包括聚酰亚胺(PI)、Ecoflex、聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的任一种。6.一种如权利要求1
‑
5任一项所述的可识别物体软硬的柔性压阻传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：S1.提供具有微结构的硅模板作为衬底；S2.制备敏感材料层；将分散后的导电颗粒材料喷涂于所述硅模板表面，使所述导电颗粒材料负载于所述硅模板上，再将柔性材料旋涂于负载有所述导电颗粒材料的所述硅模板表面，将所述导电颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：张珽，田宇辰，李铁，李玥，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：