一种柔性压力温度集成薄膜阵列传感器敏感元及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性压力温度集成薄膜阵列传感器敏感元及制备方法，利用柔性铁电薄膜具有的压电效应与热释电效应实现压力传感功能与温度传感功能的集成，敏感元包含柔性衬底、功能薄膜组合体和热管理薄膜组合体。该方法中，在柔性衬底上依次沉积绝热层、下电极，连接导线，沉积柔性铁电薄膜并刻蚀隔热槽，在柔性铁电薄膜上沉积上电极，连接导线，然后依次沉积热控层、导热层、红外反射层，最后通过导线对敏感元进行极化与测试。本发明专利技术的敏感元实现了单一敏感元上压力传感功能和温度传感功能的集成，集成度高，使用结构简单；适合大面积制备，适用于平面、曲面、异形面等结构上，适应性高；抗冲击、振动能力强，仿生度高，可靠性高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性压力温度集成薄膜阵列传感器敏感元及制备方法
本专利技术涉及薄膜阵列传感器领域，特别涉及一种柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元及制备方法。
技术介绍
随着机器人技术飞速发展，工业机器人、服务机器人、娱乐机器人和陪护机器人等多种不同机器人频繁出现在工业生产和居民生活中。传统机器人皮肤仅考虑外观仿真度而不考虑触感功能，在现有技术中，介绍有一种魔芋葡甘聚糖机器人仿生皮肤及制备方法，该皮肤以天然魔芋葡甘聚糖为基料，仿度高，生物利用度好，但不具备压力感知与温度感知功能。但是，随着近年来人形机器人的大量出现和使用，无论是在工业生产中还是居民生活中都对机器人的拟人度提出了更高需求，例如，在工业生产中人们希望机器人能感知抓夹压力甚至被抓夹产品的温度，在居民生活中人们希望机器人能对触碰压力、触碰温度甚至触碰位置给予反馈。因此，就需要机器人拥有和人类相似的触觉系统，包括触感系统和温感系统。而目前，大部分机器人触觉系统仅包含触感系统，例如现有技术中介绍有一种耐压高灵敏度智能机器人皮肤，实现外界压力的灵敏感知，有效解决了量程和灵敏度的矛盾。另，现有技术中还介绍有一种电子仿生皮肤系统，该系统基于电感式压力传感器能够将外界压力转换成脉冲电信号的频率变化；同时，现有技术中还介绍介绍有一种机器人皮肤触感系统及实现方法，该系统能够将施加在机器人皮肤上的压力转化为一定频率的光信号。上述现有技术中的方案均实现了机器人皮肤的压力感知功能，但未能实现机器人的温度感知功能。压力传感器和温度传感器分别作为触感系统和温感系统核心零部件，其结构基本相似，均包括敏感元、读出电路和处理电路三大主要部分，传统的压力传感器敏感元主要为金属应变片、压敏陶瓷、压电陶瓷和半导体元件等，传统的温度传感器敏感元主要为热敏电阻、热敏电容、热电偶和半导体元件等。例如，现有技术中，采用金属图形化的工艺在柔性PI上制作了湿度、温度和压力三种传感器敏感元，但未能实现三种敏感元的集成；以及，现有技术中还利用最新的纳米功能材料制备了柔性压力、温度等不同的传感器敏感元，同样未实现压力传感与温度传感功能的集成。目前，限制传统压力传感器敏感元和温度传感器敏感元实现在机器人触感系统上应用的原因主要有以下几点：(1)压力传感器敏感元和温度传感器敏感元原理、结构复杂，差异性大，难以实现集成；(2)传统敏感元材料一般为脆性材料、刚性材料，柔性化程度低，直接触碰易损坏，无法满足异形面的安装要求和反复触碰的使用要求；(3)传统敏感元材料难以实现大面积制备，无法满足大面积使用需求；(4)传统温度敏感元，考虑到自身的热容量和升温过程，存在响应时间较长的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种柔性压力温度集成薄膜阵列传感器敏感元及制备方法，利用柔性铁电薄膜具有的压电效应与热释电效应将压力变化信号和温度变化信号转换为电流信号，将压力传感功能和温度传感功能集成的同时满足平面、曲面、异形面的等不同环境下的使用需求，提高传感器敏感元集成度和适应性。为了达到上述目的，本专利技术通公开了一种柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元，包含：支撑传感器敏感元的柔性衬底，与安装面连接；提高传感器敏感元敏感度的热管理薄膜组合体，设置在所述柔性衬底上；功能薄膜组合体，设置在所述热管理薄膜组合体中的两层级之间，将传感器敏感元感知的压力变化信号与温度变化信号转换为电流信号，独立采集传感器敏感元不同区域压力、温度变化信号，并感知压力与温度变化的位置。优选地，所述热管理薄膜组合体包含：绝热层，设置在所述柔性衬底上，降低所述柔性衬底的热容对敏感元性能的影响；用于调控热流传导的热控层，设置在所述绝热层的上方；导热层，设置在所述热控层上，将敏感元上表面感应到的热流传递到热控层上；红外反射层，设置在所述导热层上，降低环境红外热辐射对敏感元的影响。优选地，所述功能薄膜组合体设置在所述绝热层和所述热控层之间，所述功能薄膜组合体包含：具有压电效应和热释电效应的柔性铁电薄膜；上电极，设置在所述柔性铁电薄膜的上表面；位于所述绝热层上的下电极，设置在所述柔性铁电薄膜的下表面；导线，连接在所述上电极和所述下电极上。优选地，所述绝热层采用低热导率的有机聚合物材料或者绝热泡沫或者绝热气凝胶；和/或，所述导热层采用导热硅胶或者导热胶带或者石墨烯；和/或，所述红外反射层采用金属反射膜或者电介质反射膜；和或，所述下电极、所述上电极和所述导线分别可选用铂、金、钛、铜和铝中的任意一种金属材料，每个电极厚度设置为10nm～500nm，所述导线直径设置为0.1mm～1mm。优选地，所述柔性铁电薄膜包含相互交替的压力传感区域和温度传感区域，所述上电极和所述下电极呈正交分布，相邻两条上电极和单条下电极的重叠部分为压力温度传感单元，该压力温度传感单元包含压力传感单元和温度传感单元；所述上电极上连接有与所述压力传感区域相适配的第一导线、第二导线以及与所述温度传感区域相适配的第三导线和第四导线；所述下电极上连接有为所述压力传感区域和所述温度传感区域共用的第五导线、第六导线、第七导线和第八导线；其中，所述第二导线连接的上电极和所述第八导线连接的下电极两者的重叠区域设置为所述压力传感单元，所述第四导线连接的上电极和所述第八导线连接的下电极两者的重叠区域设置为温度传感单元；多个所述压力温度传感单元形成压力温度集成传感阵列；当所述压力温度集成传感阵列的压力传感单元感应到外部压力时，在压力传感单元对应的第二导线和第八导线中读取电流，通过第一导线、第二导线、第三导线和第四导线以及第五导线、第六导线、第七导线和第八导线的匹配组合，实现对不同压力传感单元电流信号的测试，确定压力位置；或者，当所述压力温度集成传感阵列的温度传感单元感应到温度时，在所述温度传感单元对应的所述第四导线和所述第八导线中读取电流，通过第一导线、第二导线、第三导线和第四导线以及第五导线、第六导线、第七导线和第八导线的匹配组合，实现对不同温度传感单元电流信号的测试，确定受热位置。优选地，所述热控层包含：绝热区域，覆盖在所述压力传感区域上；导热区域，覆盖在所述温度传感区域上。优选地，所述柔性铁电薄膜还设置有用于降低相邻区域的热流串扰的隔热槽。优选地，所述柔性铁电薄膜厚度设置为10μm～200μm；所述柔性铁电薄膜由β相聚偏氟乙烯薄膜和/或聚偏氟乙烯-三氟乙烯薄膜通过施加电场进行极化获得；或者，所述柔性铁电薄膜是在β相聚偏氟乙烯薄膜和/或聚偏氟乙烯-三氟乙烯薄膜中添加包含锆钛酸铅、铌镁酸铅、铌酸钠钾、钽酸锂中一种或者多种在内的铁电陶瓷粉末形成陶瓷/有机复合材料，添加的陶瓷粉末粒度设置为0.1μm～2μm；一种制备如权利要求所述的柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元的方法，该制备方法包含以下步骤：S1、在柔性衬底上沉积绝热层；S2、在绝热层上沉积下电极并连接导线；S3、在绝热层和下电极上沉积柔性铁电薄膜；S4、在柔性铁电薄膜上刻蚀隔热槽；S5、在柔性铁电薄膜上沉积上电极并连接导线；S6、在柔性铁电薄膜和上电极上沉积热控层；S7、在热控层上沉积导热层；S8、在导热层上沉积红外反射层；S9、对柔性铁电薄膜进行极化；S10、对敏感元进行测试与标定。优选地，所述步骤S1中，在柔性衬底上通过采用旋涂法、热压法、流延法、印刷法中的一种或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元，其特征在于，包含：支撑传感器敏感元的柔性衬底(1)，与安装面连接；提高传感器敏感元敏感度的热管理薄膜组合体，设置在所述柔性衬底(1)上；功能薄膜组合体，设置在所述热管理薄膜组合体中的两层级之间，将传感器敏感元感知的压力变化信号与温度变化信号转换为电流信号，独立采集传感器敏感元不同区域压力、温度变化信号，并感知压力与温度变化的位置。

【技术特征摘要】
1.一种柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元，其特征在于，包含：支撑传感器敏感元的柔性衬底(1)，与安装面连接；提高传感器敏感元敏感度的热管理薄膜组合体，设置在所述柔性衬底(1)上；功能薄膜组合体，设置在所述热管理薄膜组合体中的两层级之间，将传感器敏感元感知的压力变化信号与温度变化信号转换为电流信号，独立采集传感器敏感元不同区域压力、温度变化信号，并感知压力与温度变化的位置。2.如权利要求1所述的一种柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元，其特征在于，所述热管理薄膜组合体包含：绝热层(2)，设置在所述柔性衬底(1)上，降低所述柔性衬底(1)的热容对敏感元性能的影响；用于调控热流传导的热控层(7)，设置在所述绝热层(2)的上方；导热层(8)，设置在所述热控层(7)上，将敏感元上表面感应到的热流传递到热控层(7)上；红外反射层(9)，设置在所述导热层(8)上，降低环境红外热辐射对敏感元的影响。3.如权利要求2所述的一种柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元，其特征在于，所述功能薄膜组合体设置在所述绝热层(2)和所述热控层(7)之间，所述功能薄膜组合体包含：具有压电效应和热释电效应的柔性铁电薄膜(4)；上电极(5)，设置在所述柔性铁电薄膜(4)的上表面；位于所述绝热层(2)上的下电极(3)，设置在所述柔性铁电薄膜(4)的下表面；；导线(6)，连接在所述上电极(5)和所述下电极(3)上。4.如权利要求3所述的一种柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元，其特征在于，所述绝热层(2)采用低热导率的有机聚合物材料或者绝热泡沫或者绝热气凝胶；和/或，所述导热层(8)采用导热硅胶或者导热胶带或者石墨烯；和/或，所述红外反射层(9)采用金属反射膜或者电介质反射膜；和或，所述下电极(3)、所述上电极(5)和所述导线(6)分别可选用铂(Pt)、金(Au)、钛(Ti)、铜(Cu)和铝(Al)中的任意一种金属材料，每个电极厚度设置为10nm～500nm，所述导线(6)直径设置为0.1mm～1mm。5.如权利要求3或4所述的一种柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元，其特征在于，所述柔性铁电薄膜(4)包含相互交替的压力传感区域(21)和温度传感区域(22)，所述上电极(5)和所述下电极(3)呈正交分布，相邻两条上电极(5)和单条下电极(3)的重叠部分为压力温度传感单元，该压力温度传感单元包含压力传感单元(19)和温度传感单元(20)；所述上电极(5)上连接有与所述压力传感区域(21)相适配的第一导线(11)、第二导线(12)以及与所述温度传感区域(22)相适配的第三导线(13)和第四导线(14)；所述下电极(3)上连接有为所述压力传感区域(21)和所述温度传感区域(22)共用的第五导线(15)、第六导线(16)、第七导线(17)和第八导线(18)；其中，所述第二导线(12)连接的上电极和所述第八导线(18)连接的下电极两者的重叠区域设置为所述压力传感单元(19)，所述第四导线(14)连接的上电极和所述第八导线(18)连接的下电极两者的重叠区域设置为温度传感单元(20)；多个所述压力温度传感单元形成压力温度集成传感阵列；当所述压力温度集成传感阵列的压力传感单元(19)感应到外部压力时，在压力传感单元(19)对应的第二导线(12)和第八导线(18)中读取电流，通过第一导线(11)、第二导线(12)、第三导线(13)和第四导线(14)以及第五导线(15)、第六导线(16)、第七导线(17)和第八导线(18)的匹配组合，实现对不同压力传感单元电流信号的测试，确定压力位置；或者，当所述压力温度集成传感阵列的温度传感单元(20)感应到温度时，在所述温度传感单元(20)对应的所述第四导线(14)和所述第八导线(18)中读取电流，通过第一导线(11)、第二导线(12)、第三导线(13)和第四导线(14)以及第五导线(15)、第六导线(16)、第七导线(17)和第八导线(18)的匹配组合，实现对不同温度传感单元电流信号的测试，确定受热位置。6.如权利要求5所述的一种柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元，其特征在于，所述热控层...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞玉澄，巫婕妤，沈艳，顾峰，肖玲华，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31