一种双电层电容式柔性触觉传感器制造技术

本实用新型专利技术为一种双电层电容式柔性触觉传感器，该传感器为阵列式传感器，包括上电极层、下电极层及设置在上下电极层之间的离子纤维层，所述离子纤维层为离子凝胶包覆的微纤维膜，离子纤维层的上下表面分别紧贴上电极层的下表面、下电极层的上表面。该传感器采用阵列双电层原理，在保证柔性的同时可实现电容单元的高密度阵列，进而获得更高的分辨率与信噪比。

A flexible tactile sensor with double electric layer capacitance

The utility model relates to a double-layer capacitance flexible tactile sensor, which is an array type sensor, which comprises an upper electrode layer, a lower electrode layer and an ion fiber layer arranged between the upper and lower electrode layers. The ion fiber layer is an ionic gel coated micro fiber membrane, and the upper and lower surfaces of the ion fiber layer are respectively attached to the upper surface of the upper electrode layer and the upper surface of the lower electrode layer. The sensor adopts the principle of array double electric layer, which can realize the high density array of capacitor unit while ensuring the flexibility, and then obtain higher resolution and signal-to-noise ratio.

【技术实现步骤摘要】
一种双电层电容式柔性触觉传感器
本技术涉及阵列式传感器
，具体涉及一种双电层电容式柔性触觉传感器，可用于人机交互的压力触觉感知。
技术介绍
柔性传感器的触觉感知对人机交互的安全性、准确性和鲁棒性至关重要，而人工智能的交互式机器人要求在操作时能够快速准确地感知受力情况，对柔韧性、低成本和与大面积处理技术的兼容性等有着特殊的要求，并且需要达到可伸缩、可折叠，能够适应结构实时变化的传感要求。传统的压力传感器具有僵硬、不能折叠等特点，不适合柔性场合的测量；而近年来发展迅速的压力传感器虽然在一定程度上解决了柔性问题但加工复杂，不能大面积应用；如专利CN105738011A中公开了一种柔性触觉传感器，该传感器虽然具有稳定性好、灵敏度高、静动态信号检测能力的特点，但是其通过液压力的方式进行压力传导，内部压力均匀分布，却不能有较高的分辨率，同时，其加工工艺复杂，不能大批量大面积加工，且传感器有较大的厚度，不轻便，不易折叠。近年来双电层电容式传感器也有了一定研究成果。BaoqingNie[1]等提出一种离子微滴阵列，由纳米微滴夹在两种带有图案的透明电极的聚合物膜之间，形成具有单位面积电容的双电层，在外加载荷作用下，膜的变形导致了高弹性垂向电极接触处的周向膨胀，实现超高机械灵敏度和精细的压力分辨率。但是这种方法需要制作一系列完全一样的离子微滴，对加工精度要求很高，加工难度较大。XiaofengYang[2]等提出了一种微流体超级电容压力传感器，包含一个填充有离子液体的滤纸，顶部和底部分别为涂有两层氧化铟锡聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO-PET)薄膜，施加压力时，顶部ITO-PET膜变形引起之间的电容改变。其传感器在没有外力施加的时候，其上层电极与中间层不接触，在施加外力时，上电极层与中间层接触，应用经典的薄膜弯曲理论，利用的是上电极的弯曲。这种方法需要严格控制上电极与中间层的距离，对加工的要求较高。且这种方法使用的是液体物质，不易封装，易泄露，而且不能做到大面积处理。因此提供具有柔性化、高分辨率、低成本和与大面积处理技术兼容的柔性压力传感器，成为现有技术中亟待解决的问题。[1]Nie,Baoqing,etal."Iontronicmicrodropletarrayforflexibleultrasensitivetactilesensing."LabonaChip14.6(2014):1107-1116.[2]Yang,Xiaofeng,YishouWang,andXinlinQing."AFlexibleCapacitivePressureSensorBasedonIonicLiquid."Sensors18.7(2018):2395.
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术拟解决的技术问题是，提供一种双电层电容式柔性触觉传感器。该传感器采用阵列双电层原理，在保证柔性的同时可实现电容单元的高密度阵列，进而获得更高的分辨率与信噪比。本技术解决所述技术问题的技术方案是，一种双电层电容式柔性触觉传感器，其特征在于，该传感器为阵列式传感器，包括上电极层、下电极层及设置在上下电极层之间的离子纤维层，所述离子纤维层为离子凝胶包覆的微纤维膜，离子纤维层的上下表面分别紧贴上电极层的下表面、下电极层的上表面。上电极层和下电极层上分别设有m条、n条带状平行电极及接线端，m、n均为正整数，且上电极和下电极层上的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上电极层和下电极层的平行电极交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由m×n个电容单元阵列而成，每一个电容单元都是一个小的传感器单元；每个平行电极在相应的电极层上引出电极接线端，电极接线端连接宽度相同的软排线，所有软排线用Z轴导通的双面胶重合贴与接线端固定。所述离子纤维层以高聚物柔性纤维为基体，在高聚物柔性纤维表面包覆一层离子凝胶，所述离子凝胶为可使离子自由移动的固体电解质(例如H3PO4-PVA或者为1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基)亚胺。)该传感器还包括上、下缓冲层，上下缓冲层分别连接上、下电极层，所述缓冲层的厚度为0.05mm～0.3mm。与现有技术相比，本技术的有益效果是：1、灵敏度更高。双电层电容比传统平行板设备高出至少1000倍的电容，提高信噪比，有高抗干扰性，其特性会有效提高传感器的灵敏度，使压力最大限度的转换成电容，测量电容量更准确，提高了压力检测精度。2、测得的压力分布图分辨率高。设计该传感器为阵列式，平行电极的宽度为0.5mm到15mm，阵列传感单元很小，能提高传感单元的分布密度，使得传感器具有更高的分辨率。阵列传感器相对非阵列传感器的优点是分辨率和准确性更高，可以更为全面的收集信息。3、柔性更好，厚度更薄。电极层厚度很小，缓冲层选择的材料选用柔性高聚物薄膜，可选用0.05mm到0.3mm厚的聚氨酯膜，可以达到小厚度和高柔性。4、工艺简单，可大面积制作。电极材料选用导电涂料，例如银浆/石墨烯复合油墨，电阻较小，导电油墨直接印刷在缓冲层上，再印刷不干胶将上电极层与离子纤维层封装。工艺简单，可大面积制作和应用。5、提出了一种电极结构设计方式，利用软排线引出方式，使接线端的设计方式省去了一条一条接线的复杂程度，简化了接线过程和工艺。附图说明图1是本技术传感器的整体结构示意图；图2是本技术传感器的结构示意图；图3是本技术传感器的电极层示意图；图4是本技术超级电容式柔性触觉传感器的原理示意图；图5是本技术传感器在小量程压力(0kPa-50kPa)下两层薄的离子-凝胶微纤维薄片的压容关系；图6是本技术传感器在大量程压力(0kPa-1200kPa)下两层厚的离子-凝胶微纤维薄片的压容关系；(图中：1、PU膜缓冲层；2、上电极层；3、不干胶；4、离子纤维层；5、下电极层；6、平行电极；7、电极接线端；)；具体实施方式下面给出本技术的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本技术，不限制本申请的保护范围。本技术一种双电层电容式柔性触觉传感器，该传感器包括上电极层、下电极层及设置在上下电极层之间的离子纤维层，所述离子纤维层为离子凝胶包覆的微纤维膜，离子纤维层的上下表面分别紧贴上电极层的下表面、下电极层的上表面。上电极层和下电极层上分别设有m、n条带状平行电极6及接线端，m、n均为正整数，上下电极层中平行电极的数量可以取值不同，即m和n数值可以不同，其具体取值可以根据需要设计改变，且上电极和下电极层上的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上电极层和下电极层的平行电极交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由mxn个电容单元阵列而成，每一个电容单元都是一个小的传感器单元；每个平行电极在相应的电极层上引出电极接线端7，电极接线端连接宽度相同的软排线，所有软排线用Z轴导通的双面胶重合贴与接线端固定；离子凝胶包覆的微纤维膜以无纺布为基体，在无纺布表面包覆一层离子凝胶，所述离子凝胶为H3PO4-PVA或者为1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基)亚胺(若为亚胺，浸泡无纺布后也需要进行沥干处理)，离子纤维层的电导率相对较高、电阻较低，以及离子浓度相对较高，且在施加压力时，无纺布本身的纤维结构可以由按压带来的内部接触面积的增本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双电层电容式柔性触觉传感器，其特征在于，该传感器为阵列式传感器，包括上电极层、下电极层及设置在上、下电极层之间的离子纤维层，所述离子纤维层为离子凝胶包覆的微纤维膜，离子纤维层的上、下表面分别紧贴上电极层的下表面、下电极层的上表面。

【技术特征摘要】
1.一种双电层电容式柔性触觉传感器，其特征在于，该传感器为阵列式传感器，包括上电极层、下电极层及设置在上、下电极层之间的离子纤维层，所述离子纤维层为离子凝胶包覆的微纤维膜，离子纤维层的上、下表面分别紧贴上电极层的下表面、下电极层的上表面。2.根据权利要求1所述的双电层电容式柔性触觉传感器，其特征在于，上电极层和下电极层上分别设有m条、n条带状平行电极及接线端，m、n均为正整数，且上电极和下电极层上的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上电极层和下电极层的平行电极交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由m×n个电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘吉晓，郭士杰，王曼菲，王鹏，侯福宁，孟垂舟，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：天津,12