一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于柔性传感器领域，并公开了一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法，该传感器包括上电极层、中间介质层和下电极层，上和下电极层结构相同，均包括柔性基体材料和镶嵌在基体材料中的液态金属；中间介质层介于上和下电极层之间，其中设置有多个微米级的孔；当传感器受到压力、拉力或被导体靠近时，通过测量传感器电容的变化获得该传感器受到的压力、拉力或导体与传感器之间的距离的大小；当待测对象与上电极层摩擦发生时，通过测量上电极层中电压的变化获得待测对象对上层电极施加的压力大小。本发明专利技术还公开了该传感器的制备方法。通过本发明专利技术，结合电容传感和摩擦发电两种传感原理，实现柔性传感器的高灵敏度和多功能测量。

A Flexible Sensor with Multifunctional Sensors and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法
本专利技术属于柔性传感器领域，更具体地，涉及一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法。
技术介绍
随着科技与社会的发展，机器人的应用正逐渐由科研、工业自动化领域向医疗、家庭服务等领域拓展。实现机器人与外界环境之间的互动的前提是机器人可通过自身所携带的传感器系统检测到外界环境与人类的信息。覆盖在机器人表面的大面积、柔软、具有触觉感知和数据处理能力的微型传感器阵列称之为电子皮肤。电子皮肤获取外界环境信息是仅次于机器人视觉的重要感知形式，是机器实现与外界环境直接作用的必要媒介之一。目前对全柔性化、多功能化机器人柔性电子皮肤多集中于触觉感知，而取法接近感知能力，无法在作用对象接近时做出反应，而本专利技术所提供的一种用于机器人电子皮肤的可拉伸传感器为解决上述问题提供了可能，该传感器传感原理基于电容传感和摩擦发电，既可以检测压力，也可以检测空间定位距离，同时还能测量应变。柔性电子技术脱胎于硬质电子技术，因此也大量采用了传统的半导体工艺，但是一些柔性材料对传统工艺的适应性并不好，因此改进工艺是十分必要的，本专利技术提供了一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法，其通过利用上和下电极层形成电容传感，利用摩擦层摩擦发电，结合电容传感和摩擦发电两种传感原理，实现待测对象空间定位，压力传感和拉伸产生应变测量的功能，实现柔性传感器的高灵敏度和多功能测量。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，该传感器包括上电极层、中间介质层和下电极层，其中：所述上电极层和下电极层的结构相同，均包括柔性基体材料和镶嵌在该基体材料中的液态金属，所述上电极层的表面积大于所述下电极层的表面积，使得二者之间产生电容的边缘效应；所述中间介质层介于所述上、下电极层之间，材料为与所述上下电极相同的柔性基体材料，该中间层中设置有多个微米级的孔形成微米孔结构；当所述传感器受到压力、拉力或被导体靠近时，上下电极层之间的电容发生变化，通过测量所述传感器电容的变化获得该传感器受到的压力、拉力或导体与所述传感器之间的距离的大小；当待测对象与所述上电极层摩擦发生时，通过测量所述上电极层中电压的变化获得待测对象对所述上层电极施加的压力大小。进一步优选地，所述上电极层上还设置有摩擦层，该摩擦层采用与上电极层相同的柔性基体材料，其表面粗糙度Ra为1.6μm～6.4μm，当待测对象采用15KPa以下的力与该摩擦层发生摩擦时，通过检测所述上电极层上电压的变化获得待测对象施加的力的大小，提高所述传感器的灵敏度。进一步优选地，所述上下电极层之间的距离优选为50μm～200μm，上和下电极层的厚度优选为100μm～200μm，所述微米孔的直径优选为70μm～210μm。进一步优选地，所述柔性基体材料优选为PDMS、ecoflex、PI、PTFE或PET。进一步优选地，所述液态金属优选采用镓合金。按照本专利技术的另一方面，提供了一种上述柔性传感器的制备方法，该方法包括下列步骤：(a)制备上和下电极层(a1)选取基板和牺牲层溶液，将牺牲层溶液旋涂在所述基板上，待所述牺牲层溶液固化后在所述基体上形成牺牲层，在该牺牲层上旋涂所述柔性基体材料的溶液，固化后在所述牺牲层上形成柔性基体层，(a2)在所述柔性基体层贴附掩膜版，在该掩膜版上溅射粘附层，然后在粘附层上溅射液态金属，去除所述掩膜版，其中，所述粘附层用于粘结柔性基体层和液态金属；(a3)在溅射有液态金属的柔性基体层上再次旋涂所述柔性基体层溶液，固化后所述液态金属镶嵌在所述柔性基体层中，将基板放入水中，所述牺牲层溶于水使得柔性基体层与所述基板分离，以此获得上或者下电极；(b)制备中间介质层(b1)制备设置有微米柱的模具，选取基板，在基板上旋涂所述柔性基体层的溶液，固化后形成在所述基板上形成柔性基体层，将所述模具贴附在所述柔性基体层表面，加热使得所述模具与所述基板连接；(b2)将粘附有模具的基板表面进行疏水处理，然后将所述柔性基体层的溶液旋涂在所述模具上，待所述柔性基体层固化后从所述模具上剥离，以此获得具有微米孔的中间介质层；(c)采用反应离子刻蚀的方式将所述上电极层、中间介质层和下电极层从上自下依次粘结在一起，以此获得所需的柔性传感器。进一步优选地，在步骤(a2)中，所述粘附层优选包括上下两层，下层为金，上层为铬，其中，所述金用于连接所述柔性基体材料与铬，所述铬用于连接所述金与所述柔性基体材料。进一步优选地，所述制备方法还包括制备所述摩擦层，按照下列步骤进行，将所述柔性基体材料的溶液旋涂在砂纸表面，固化成膜后将成膜后的柔性基体材料层所述砂纸上剥离，以此获得所需的摩擦层，将该摩擦层采用反应离子刻蚀的方式粘结在所述上电极层上，获得带有摩擦层的柔性传感器。进一步优选地，在步骤(b1)中，制备设置有微米柱的模具优选按照下列步骤：(b11)选取基板，在基板上旋涂光刻胶，待光刻胶固化后在其表面贴附掩膜版，然后利用激光光刻的方式在所述光刻胶表面形成多个微米孔；(b12)去除所述掩膜版，对有微米孔的光刻胶表面进行疏水处理，然后在疏水处理后的光刻胶表面旋涂所述柔性基体材料的溶液，待其固化成膜后将所述柔性基体材料从所述光刻胶表面剥离，以此获得表面具有微米柱的柔性基体材料，即表面设置有微米柱的模具。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术提供的传感器设置的摩擦层，在摩擦发电在低压区(<15KPa)的良好线性度，弥补了电容传感在低压区线性度较低的缺点，而上下电极层形成的电容传感在高压区(>15KPa)的良好线性度，弥补了摩擦发电在高压区的较低灵敏度的不足，两种传感原理的互补极大地增加了传感器压力测量范围；2、本专利技术提供的柔性传感器可以测量压力，应变和空间定位距离三个参数，其基于电容传感和摩擦发电原理，当应用于机器人领域时，可以实现机器人从定位到抓取整个过程的实时监测和反馈，同时还能测量机器人在收到拉伸时的应变率；3、本专利技术提供的柔性传感器具有较高的灵敏度，在进行空间定位时，这种传感器可以利用电容的边缘效应，有效放大电场以此增强定位灵敏度，在进行压力和应变测量时，中间电介质层微米孔的设计和上电极基底表面的砂纸改性，可以有效的提升压力测量的灵敏度；4、本专利技术提供的柔性传感器与待测对象表面紧密贴合并能保持共性接触，最大限度的减小了传感器与机器人表面的的空隙，这样有助于提高传感器的强度和测量的准确性。附图说明图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的柔性传感器的制备流程图；图2是按照本专利技术的优选实施例所构建的制备中间介质层的流程图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1—砂纸，2—固化的聚二甲基硅氧烷薄膜，3—硅片，4—聚乙烯醇牺牲层，5—基底层，6—金，7—铬，8—掩膜版，9—金电极，，11—液态金属，12—溶解中的聚乙烯醇牺牲层，13—去离子水，14—耐高温的玻璃器皿，15—有微米孔的中间电介质层，17—SU82050光刻胶，19—紫外光，20—显影液，21—显影中的SU82050光刻胶，22—疏水溶液，23—复制微米柱的聚二甲基硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，该传感器包括上电极层、中间介质层和下电极层，其中：所述上电极层和下电极层的结构相同，均包括柔性基体材料和镶嵌在该基体材料中的液态金属，所述上电极层的表面积大于所述下电极层的表面积，使得二者之间产生电容的边缘效应；所述中间介质层介于所述上和下电极层之间，材料为与所述上和下电极相同的柔性基体材料，该中间层中设置有多个微米级的孔形成微米孔结构；当所述传感器受到压力、拉力或被导体靠近时，上下电极层之间的电容发生变化，通过测量所述传感器电容的变化获得该传感器受到的压力、拉力或导体与所述传感器之间的距离的大小；当待测对象与所述上电极层摩擦发生时，通过测量所述上电极层中电压的变化获得待测对象对所述上层电极施加的压力大小。

【技术特征摘要】
1.一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，该传感器包括上电极层、中间介质层和下电极层，其中：所述上电极层和下电极层的结构相同，均包括柔性基体材料和镶嵌在该基体材料中的液态金属，所述上电极层的表面积大于所述下电极层的表面积，使得二者之间产生电容的边缘效应；所述中间介质层介于所述上和下电极层之间，材料为与所述上和下电极相同的柔性基体材料，该中间层中设置有多个微米级的孔形成微米孔结构；当所述传感器受到压力、拉力或被导体靠近时，上下电极层之间的电容发生变化，通过测量所述传感器电容的变化获得该传感器受到的压力、拉力或导体与所述传感器之间的距离的大小；当待测对象与所述上电极层摩擦发生时，通过测量所述上电极层中电压的变化获得待测对象对所述上层电极施加的压力大小。2.如权利要求1所述的一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，所述上电极层上还设置有摩擦层，该摩擦层采用与上电极层相同的柔性基体材料，其表面粗糙度Ra为1.6μm～6.4μm，当待测对象采用15KPa以下的力与该摩擦层发生摩擦时，通过检测所述上电极层上电压的变化获得待测对象施加的力的大小，提高所述传感器的灵敏度。3.如权利要求1或2所述的一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，所述上下电极层之间的距离优选为50μm～200μm，上和下电极层的厚度优选为100μm～200μm，所述微米孔的直径优选为70μm～210μm。4.如权利要求1-3任一项所述的一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，所述柔性基体材料优选为PDMS、ecoflex、PI、PTFE或PET。5.如权利要求1-3任一项所述的一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，所述液态金属优选采用镓合金。6.一种如权利要求1-5任一项所述的多功能传感的柔性传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)制备上和下电极层(a1)选取基板和牺牲层溶液，将牺牲层溶液旋涂在所述基板上，待所述牺牲层溶液固化后在所述基体上形成牺牲层，在该牺牲层上旋涂所述柔性基体材料的溶液，固化后在所述牺牲层上形成柔性基体层，(a2)在所述柔性基体层贴附掩膜版，在该掩膜版上溅射粘附层，然后在粘附层上溅射液态金属，去除所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴豪，张成，李洋洋，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42