一种可拉伸触觉传感器阵列及其制备方法技术

一种可拉伸触觉传感器阵列及其制备方法，该传感器阵列包括三大层结构，第一大层结构包括柔性可拉伸基底、形成在柔性可拉伸基底上的可拉伸敏感元件阵列和与可拉伸敏感元件阵列相对应连接设置的第一可拉伸电极阵列，第二大层结构包括键合在第一大层结构上的第二柔性可拉伸介电层和形成在第二柔性可拉伸介电层上的第二可拉伸电极阵列，第三大层结构包括键合在第二大层结构上的第三柔性可拉伸介电层、形成在第三柔性可拉伸介电层上的第三可拉伸电极阵列和覆盖第三可拉伸电极阵列的封装层。该传感器阵列能够在拉伸应变的条件下测量法向压力的大小，该器件的结构紧凑，厚度小，制作工艺简单。

A stretchable tactile sensor array and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种可拉伸触觉传感器阵列及其制备方法
本专利技术涉及触觉传感器，特别是一种可拉伸触觉传感器阵列及其制备方法。
技术介绍
随着微电子技术和通信技术的快速发展，人们在该类技术中获得相当大的便利，同时，急切追求更人性化、更舒适、更高科技含量的智能产品。下一代电子设备必须具备轻质、可弯曲、成本低廉和能够大规模生产的特性。分布式传感器、电子纸和柔性显示屏器件等便携式、可穿戴电子设备逐渐步入人们的日常生活。便携式、可穿戴电子设备的重要特点是全柔性，柔性电极的优势日益凸显，在工程设计方面有很大的自由度，可拉伸高灵敏的柔性传感器阵列以多传感器来感知曲面上的压力分布信息，在诸多方面有较好的应用前景，可广泛地应用于电子产品、医疗保健、运动器材、穿戴式设备等应用领域。目前柔性可拉伸传感器器件主要分为压力传感器和可拉伸应变传感器，分别可以测量法向压力和应变的大小,但是，如何获得既能测量法向压力又能测量应变的可拉伸传感器，尤其是一种能在拉伸应变的条件下测量法向压力的可拉伸传感器，是现有技术所面临的问题。此外，目前柔性可拉伸应变传感器的器件部分存在器件可拉伸，但电极不可拉伸，需要额外的外置电极的问题；而具备可拉伸敏感元件和可拉伸电极的则存在制备工艺复杂，难以大规模制备应用的问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种可拉伸触觉传感器阵列及其制备方法，该可拉伸触觉传感器阵列能够在拉伸应变的条件下测量法向压力的大小。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种可拉伸触觉传感器阵列，包括第一大层结构、第二大层结构和第三大层结构，所述第一大层结构包括柔性可拉伸基底、形成在所述柔性可拉伸基底上的可拉伸敏感元件阵列和与所述可拉伸敏感元件阵列相对应连接设置的第一可拉伸电极阵列，所述第一大层结构形成可拉伸应变传感器阵列，所述第二大层结构包括键合在所述第一大层结构上的第二柔性可拉伸介电层和形成在所述第二柔性可拉伸介电层上的第二可拉伸电极阵列，所述第三大层结构包括键合在所述第二大层结构上的第三柔性可拉伸介电层、形成在所述第三柔性可拉伸介电层上的第三可拉伸电极阵列和覆盖所述第三可拉伸电极阵列的封装层，所述第二大层结构和所述第三大层结构形成可拉伸压力传感器阵列。进一步地：所述第二可拉伸电极阵列和所述第三可拉伸电极阵列中的各电极分别沿横纵方向连接排布，两个电极阵列垂直交错。还包括第一柔性可拉伸介电层，所述第一可拉伸电极阵列包括垂直交错的横向电极和纵向电极，所述第一柔性可拉伸介电层将所述横向电极和纵向电极相交的部分相隔离。所述柔性可拉伸基底、所述封装层和所述第一至第三柔性可拉伸介电层的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、橡胶、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)中的一种或多种。所述可拉伸敏感元件和/或所述电极的材料包括碳纳米管(CNT)、纳米银、石墨烯中的一种或多种。所述可拉伸敏感元件和所述电极的材料为同一种材料。所述第一至第三可拉伸电极阵列的电极设置成在所述可拉伸触觉传感器阵列处于释放状态时具有沿着所述可拉伸触觉传感器阵列的可拉伸方向分布的可拉伸褶皱结构，所述褶皱结构在所述可拉伸触觉传感器阵列处于拉伸状态时沿着拉伸方向展平而至少部分地抵消所述电极受到的拉伸力，且在所述拉伸力消失时复原所述褶皱结构。一种制备所述的可拉伸触觉传感器阵列的方法，包括以下步骤：S1、制作所述第一大层结构，包括柔性可拉伸基底、形成在所述柔性可拉伸基底上的可拉伸敏感元件阵列和与所述可拉伸敏感元件阵列相对应连接设置的第一可拉伸电极阵列；S2、制作所述第二大层结构，包括第二柔性可拉伸介电层和形成在所述第二柔性可拉伸介电层上的第二可拉伸电极阵列，并将所述第二大层结构键合在所述第一大层结构上；S3、制作所述第三大层结构，包括第三柔性可拉伸介电层、形成在所述第三柔性可拉伸介电层上的第三可拉伸电极阵列和覆盖所述第三可拉伸电极阵列的封装层，并将所述第三大层结构键合在所述第二大层结构上。进一步地：步骤S1中，先将所述柔性可拉伸基底预拉伸后，再在所述柔性可拉伸基底层上喷涂制作所述第一可拉伸电极阵列，然而将所述柔性可拉伸基底从拉伸状态下释放恢复初始状态后，再在所述柔性可拉伸基底上喷涂制作所述可拉伸敏感元件阵列；步骤S2中，先将所述第二柔性可拉伸介电层预拉伸后，再在所述第二柔性可拉伸介电层上喷涂制作所述第二可拉伸电极阵列，然后将所述第二柔性可拉伸介电层从拉伸状态下释放恢复初始状态，再将其与所述第一大层结构键合在一起；步骤S3中，先将所述第三柔性可拉伸介电层预拉伸后，再在所述第二柔性可拉伸介电层上喷涂制作所述第三可拉伸电极阵列，然后将所述第三柔性可拉伸介电层从拉伸状态下释放恢复初始状态，再将其与所述第二大层结构键合在一起。所述预拉伸是拉伸到可复原的最大应变程度的50％以上。步骤S1包括：将碳纳米管分散在异丙醇中，并进行超声处理获得使碳纳米管分散均匀的碳纳米管分散液；将所述柔性可拉伸基底预拉伸后，与电极掩膜版贴合在一起，对所述柔性可拉伸基底进行氧等离子处理和预热处理，将所述碳纳米管分散液分散液通过所述电极掩膜版喷涂到所述柔性可拉伸基底，以制作形成所述第一可拉伸电极阵列；将喷涂好所述第一可拉伸电极阵列的所述柔性可拉伸基底释放恢复初始状态，再将所述柔性可拉伸基底与敏感元件掩膜版贴合在一起，将所述碳纳米管分散液通过所述敏感元件掩膜版喷涂到所述柔性可拉伸基底层，以制作形成所述可拉伸敏感元件阵列。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供一种可拉伸触觉传感阵列，将可拉伸压力传感器阵列和可拉伸应变传感器阵列结合在一起，其器件的厚度小，制作工艺简单；其中第一大层结构形成可拉伸应变传感器，其原理是在拉伸应变条件下，敏感元件电阻发生变化，从而根据电阻变化的大小求出拉伸应变的大小。第二大层与第三大层两者相配合形成可拉伸电容式压力传感器，其原理是根据胡克定律△F＝-k·Δd，法向压力会使两层电极之间的介电层厚度d减小，根据平行板电容公式C＝εS/d，根据电容的变化可以求出介电层厚度d的变化，从而测出法向压力的大小。而除了法向压力，拉伸也会导致介电层厚度d发生变化，因此一般的压力传感器不能在拉伸应变的条件下测量法向压力的大小，但本专利技术可以通过可拉伸应变传感器测量拉伸应变，从而通过泊松比公式v＝-ε1/ε，求出拉伸导致压力传感器介电层厚度d的变化，对其提供补偿，从而使可拉伸压力传感器能够在拉伸应变的条件下测量法向压力的大小。在优选的方案中，本专利技术提供一种制备工艺简单有效的可拉伸触觉传感阵列，其中所述第一至第三可拉伸电极阵列的电极设置成在所述可拉伸触觉传感器阵列处于释放状态时具有沿着所述可拉伸触觉传感器阵列的可拉伸方向分布的可拉伸褶皱结构，所述褶皱结构在所述可拉伸触觉传感器阵列处于拉伸状态时沿着拉伸方向展平而至少部分地抵消所述电极受到的拉伸力，且在所述拉伸力消失时复原所述褶皱结构，采用这种电极结构的可拉伸触觉传感阵列具有拉伸应变范围大、灵敏度高和稳定性高的优点，能够实现适应于各种需要测量拉伸应变场合，且其制备方法简单，工艺流程少，成本较低，适于大规模制备。本专利技术方法制作该传感器时，电极因为在拉伸状态下制备，释放后会形成所述褶皱结构，使用时，对其拉伸小于制备时拉伸的应变时，相当于将褶皱结构拉平，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可拉伸触觉传感器阵列，其特征在于,包括第一大层结构、第二大层结构和第三大层结构，所述第一大层结构包括柔性可拉伸基底、形成在所述柔性可拉伸基底上的可拉伸敏感元件阵列和与所述可拉伸敏感元件阵列相对应连接设置的第一可拉伸电极阵列，所述第一大层结构形成可拉伸应变传感器阵列，所述第二大层结构包括键合在所述第一大层结构上的第二柔性可拉伸介电层和形成在所述第二柔性可拉伸介电层上的第二可拉伸电极阵列，所述第三大层结构包括键合在所述第二大层结构上的第三柔性可拉伸介电层、形成在所述第三柔性可拉伸介电层上的第三可拉伸电极阵列和覆盖所述第三可拉伸电极阵列的封装层，所述第二大层结构和所述第三大层结构形成可拉伸压力传感器阵列。

【技术特征摘要】
1.一种可拉伸触觉传感器阵列，其特征在于,包括第一大层结构、第二大层结构和第三大层结构，所述第一大层结构包括柔性可拉伸基底、形成在所述柔性可拉伸基底上的可拉伸敏感元件阵列和与所述可拉伸敏感元件阵列相对应连接设置的第一可拉伸电极阵列，所述第一大层结构形成可拉伸应变传感器阵列，所述第二大层结构包括键合在所述第一大层结构上的第二柔性可拉伸介电层和形成在所述第二柔性可拉伸介电层上的第二可拉伸电极阵列，所述第三大层结构包括键合在所述第二大层结构上的第三柔性可拉伸介电层、形成在所述第三柔性可拉伸介电层上的第三可拉伸电极阵列和覆盖所述第三可拉伸电极阵列的封装层，所述第二大层结构和所述第三大层结构形成可拉伸压力传感器阵列。2.如权利要求1所述的可拉伸触觉传感器阵列，其特征在于,所述第二可拉伸电极阵列和所述第三可拉伸电极阵列中的各电极分别沿横纵方向连接排布，两个电极阵列垂直交错。3.如权利要求1或2所述的可拉伸触觉传感器阵列，其特征在于,还包括第一柔性可拉伸介电层，所述第一可拉伸电极阵列包括垂直交错的横向电极和纵向电极，所述第一柔性可拉伸介电层将所述横向电极和纵向电极相交的部分相隔离。4.如权利要求1或2所述的可拉伸触觉传感器阵列，其特征在于,所述柔性可拉伸基底、所述封装层和所述第一至第三柔性可拉伸介电层的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、橡胶、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)中的一种或多种。5.如权利要求1至3任一项所述的可拉伸触觉传感器阵列，其特征在于,所述可拉伸敏感元件和/或所述电极的材料包括碳纳米管(CNT)、纳米银、石墨烯中的一种或多种，优选地，所述可拉伸敏感元件和所述电极的材料为同一种材料。6.如权利要求1至5任一项所述的可拉伸触觉传感器阵列，其特征在于,所述第一至第三可拉伸电极阵列的电极设置成在所述可拉伸触觉传感器阵列处于释放状态时具有沿着所述可拉伸触觉传感器阵列的可拉伸方向分布的可拉伸褶皱结构，所述褶皱结构在所述可拉伸触觉传感器阵列处于拉伸状态时沿着拉伸方向展平而至少部分地抵消所述电极受到的拉伸力，且在所述拉伸力消失时复原所述褶皱结构。7.一种制备如权利要求1至6任一项所述的可拉伸触觉传感器阵列的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旻，李鑫，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44