一种可探测全范围材质物体的柔性可贴合复合式接近传感器及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种可探测全范围材质物体的柔性可贴合复合式接近传感器及其应用。所述复合式接近传感器包括贴合的支撑层和电介质层；支撑层内设有内嵌电极Ⅰ，内嵌电极Ⅰ与电介质层贴合；电介质层内设有2条相对设置的内嵌电极Ⅱ，电介质层的表面上于两条内嵌电极Ⅱ之间设有有机半导体单晶；一条内嵌电极Ⅱ与内嵌电极Ⅰ为交叉配合。本发明专利技术通过将电容式接近传感器与有机半导体式接近传感器相结合，实现了对人类手指、金戒指和带电塑料戒指的接近探测。该复合传感器还具有柔性、可贴合、结构简单等优点，可以探测多种材质物体的接近，使它在智能假肢、机器人和未来的人机交互中有着重要的潜在应用。

A flexible and adaptable composite proximity sensor capable of detecting all range of material objects and its application

【技术实现步骤摘要】
一种可探测全范围材质物体的柔性可贴合复合式接近传感器及其应用
本专利技术涉及一种可探测全范围材质物体的柔性可贴合复合式接近传感器及其应用，属于传感

技术介绍
接近传感器是一种在不接触物体的情况下能够探测到物体存在的传感器，该类型的传感器可以防止意外碰撞的发生。接近传感器可以被应用到机器人或假肢上，使得机器人和障碍物之间保持安全的距离。当机器人接近外部物体时，接近传感器可以帮助机器人感应到物体的存在，使得机器人可以提前采取规避动作，避免意外的发生。最近，受到可穿戴电子设备和人工智能发展的刺激，人们对可小型化和柔性设备的兴趣越来越浓厚。在传统的接近传感器例如磁感应、红外、超声波、电容式、有机半导体式等中，磁感应、红外、超声波等接近传感器体积巨大、不具备柔性，限制了他们在可穿戴电子设备方面的应用。根据目前的报道，电容式接近传感器仅仅可以探测导电物体的接近，不能探测到带电绝缘物体的接近；而有机半导体式接近传感器仅仅可以探测带电物体的接近，不能探测金属导体的接近，这严重限制了两种接近传感器在日常生活中的应用。因此需要对现有传感器进行改进以扩展接近传感器的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可探测全范围材质物体的柔性可贴合复合式接近传感器，利用有机半导体单晶作为敏感层探测带电物体，使带电物体影响单晶中载流子的传输来实现对带电物体的接近探测；利用电容式传感器的探测作为敏感层探测金属导体，使金属导体捕获电容式传感器的探测来实现对金属物体的接近探测。本专利技术得到的复合式接近传感器，可以很好地贴附在假肢上，能够实现全范围材质物体的接近探测。本专利技术涉及的“全范围材质物体”指的是人类手指、生活中无意识带电的物体和生活中常见的金属物体。本专利技术所提供的柔性可贴合复合式接近传感器的结构如下：包括贴合的支撑层和电介质层；所述支撑层内设有内嵌电极Ⅰ，所述内嵌电极Ⅰ与所述电介质层贴合；所述电介质层内设有2条相对设置的内嵌电极Ⅱ，所述电介质层的表面上于两条所述内嵌电极Ⅱ之间设有有机半导体单晶；一条所述内嵌电极Ⅱ与所述内嵌电极Ⅰ为交叉配合。上述的柔性可贴合复合式接近传感器中，所述有机半导体单晶可为红荧烯单晶(Rubrene)、并五苯单晶或酞菁酮单晶等。所述红荧烯单晶可由物理气相输运法制备而成，具体条件如下：将红荧烯原料放置在管式炉的高温升华区，利用高纯氮气作为载气进行生长。洁净的硅片作为衬底放入结晶区进行晶体生长，生长温度：310℃，压强：1atm，载气流速：80sccm，生长时间：60min。上述的柔性可贴合复合式接近传感器中，所述支撑层的材质可为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；所述电介质层的材质可为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；所述内嵌电极Ⅰ和所述内嵌电极Ⅱ的材质均为金。所述的柔性可贴合复合式接近传感器中，所述支撑层的厚度为200～400μm，所述电介质层的厚度为200～400μm，所述有机半导体层的厚度为100～200nm，所述内嵌电极Ⅰ的厚度为25～35nm，所述内嵌电极Ⅱ的厚度为25～35nm。本专利技术进一步提供了所述柔性可贴合复合式接近传感器的制备方法，包括如下步骤：1)在衬底Ⅰ上制备所述内嵌电极Ⅰ，在衬底Ⅱ上制备所述内嵌电极Ⅱ；2)在所述衬底Ⅰ上制备所述支撑层，在所述衬底Ⅱ上制备所述电介质层；3)将所述电介质层从所述衬底Ⅱ上剥离；4)步骤3)得到的所述电介质层和步骤2)得到的所述支撑层分别经氧等离子体处理后进行贴合，所述内嵌电极Ⅰ与所述电介质层贴合配合，一条所述内嵌电极Ⅱ与所述内嵌电极Ⅰ交叉配合；5)将所述有机半导体单晶转移至所述内嵌电极Ⅱ之间，即得到所述柔性可贴合复合式接近传感器。上述的制备方法中，步骤1)中，采用掩模蒸镀法制备所述内嵌电极Ⅰ和所述内嵌电极Ⅱ；如采用真空掩膜蒸镀方法，条件可为：真空度可为10-4Pa，蒸镀速率可为蒸镀所用的靶材为金。上述的制备方法中，所述衬底Ⅰ和所述衬底Ⅱ均为硅衬底；制备所述内嵌电极Ⅰ和所述内嵌电极Ⅱ之前，需要对所述硅衬底进行清洗，依次采用丙酮、乙醇和水(二次去离子水)清洗，每次清洗完都要用氮气吹干。上述的制备方法中，步骤1)中，在制备所述内嵌电极Ⅰ和所述内嵌电极Ⅱ之前，清洗步骤之后，需要采用十八烷基三氯硅烷修饰所述硅衬底，以便于固化后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)剥离；修饰的步骤如下：将硅衬底放在十八烷基三氯硅烷与正庚烷混合溶液中3小时，其中十八烷基三氯硅烷：正庚烷＝1：1000，即可得到表面修饰所述十八烷基三氯硅烷的衬底(即为OTS修饰的衬底)。上述的制备方法中，步骤2)中，采用旋涂、固化的方式制备所述支撑层和所述电介质层，如：将PDMS与固化剂(道康宁，硅酮树脂184)按照体积比10:1的比例配制PDMS溶液，然后将搅拌约15min至溶液中没有气泡，最后静置约2h。将所述PDMS溶液均匀滴到置于匀胶机转盘上的硅衬底的表面，将匀胶机的转速设置在2000r/s，旋涂时间可为20s。上述的制备方法中，步骤4中)，所述氧等离子体处理可在常规条件下进行，如在100W的功率下处理100s；步骤5)中，采用机械探针转移的方法转移所述有机半导体单晶。本专利技术柔性可贴合复合式接近传感器可接近探测全范围材质物体。本专利技术测试了带电荷的手指和塑料戒指对复合接近传感器的接近响应，并获得了相应的电流响应曲线；测试了手指和金戒指对复合接近传感器的接近响应，并获得了相应的电容响应曲线。在测试时，物体接近复合式接近传感器时两者之间的距离约为2cm，远离时两者之间距离为15cm以上。本专利技术柔性可贴合复合式接近传感器具有如下优点：本专利技术通过将电容式接近传感器与有机半导体式接近传感器相结合，实现了对人类手指、金戒指和带电塑料戒指的接近探测。该复合传感器还具有柔性、可贴合、结构简单等优点，可以探测多种材质物体的接近，使它在智能假肢、机器人和未来的人机交互中有着重要的潜在应用。附图说明图1是本专利技术制备的以红荧烯单晶和边缘电场为敏感层的复合式接近传感器的结构示意图(图1(a))和照片图(图1(b))。图2是本专利技术两个敏感层的显微镜图(图2(a))和(图2(b))。图3是本专利技术展示的该复合传感器两部分的传感机理，图3(a)展示了有机半导体部分接近传感器的传感机理，图3(b)展示了电容部分接近传感器的传感机理。图4是本专利技术实施例2制备的以红荧烯单晶和探测为敏感层的复合式接近传感器对人类手指的接近响应照片图(图4(a))和动态响应电信号图(图4(b))。图5是本专利技术实施例3制备的以红荧烯单晶和探测为敏感层的复合式接近传感器对金属戒指的接近响应照片图(图5(a))和动态响应电信号图(图5(b))。图6是本专利技术实施例4制备的以红荧烯单晶和探测为敏感层的复合式接近传感器对塑料戒指的接近响应照片图(图6(a))和动态响应电信号图(图6(b)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可探测全范围材质物体的柔性可贴合复合式接近传感器，包括贴合的支撑层和电介质层；/n所述支撑层内设有内嵌电极Ⅰ，所述内嵌电极Ⅰ与所述电介质层贴合；/n所述电介质层内设有2条相对设置的内嵌电极Ⅱ，所述电介质层的表面上于两条所述内嵌电极Ⅱ之间设有有机半导体单晶；/n一条所述内嵌电极Ⅱ与所述内嵌电极Ⅰ为交叉配合。/n

【技术特征摘要】
1.一种可探测全范围材质物体的柔性可贴合复合式接近传感器，包括贴合的支撑层和电介质层；
所述支撑层内设有内嵌电极Ⅰ，所述内嵌电极Ⅰ与所述电介质层贴合；
所述电介质层内设有2条相对设置的内嵌电极Ⅱ，所述电介质层的表面上于两条所述内嵌电极Ⅱ之间设有有机半导体单晶；
一条所述内嵌电极Ⅱ与所述内嵌电极Ⅰ为交叉配合。


2.根据权利要求1所述的柔性可贴合复合式接近传感器，其特征在于：所述有机半导体单晶为红荧烯单晶、并五苯单晶或酞菁酮单晶。


3.根据权利要求1或2所述的柔性可贴合复合式接近传感器，其特征在于：所述支撑层的材质为聚二甲基硅氧烷；
所述电介质层的材质为聚二甲基硅氧烷；
所述内嵌电极Ⅰ和所述内嵌电极Ⅱ的材质均为金。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的柔性可贴合复合式接近传感器，其特征在于：所述支撑层的厚度为200～400μm，所述电介质层的厚度为200～400μm，所述有机半导体层的厚度为100～200nm，所述内嵌电极Ⅰ的厚度为25～35nm，所述内嵌电极Ⅱ的厚度为25～35nm。


5.权利要求1-4中任一项所述柔性可贴合复合式接近传感器的制备方法，包括如下步骤：
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【专利技术属性】
技术研发人员：汤庆鑫，童艳红，刘益春，赵磊，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22