可贴敷立式微电容式柔性力学传感器及其制作方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种可贴敷立式微电容式柔性力学传感器及其制作方法和应用。该电容式柔性力学传感器包括柔性衬底、敏感层以及至少两个电极，敏感层设置在柔性衬底的表面；敏感层包括设置在柔性衬底表面的电容微极板以及设置在电容微极板表面的纳米线导电网络层，电容微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一电容微极板、第二电容微极板，第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成三维立体双螺旋状微纳结构，第一电容微极板与第二电容微极板之间还分布有聚合物介电层。本发明专利技术提供的柔性力学传感器中的电容微极板因采用了仿指纹“涡纹”微纳结构，可实现对压力、剪切力较高灵敏度的选择性响应，同时还具有高精度、高可靠性、长寿命等优。

Application and fabrication of vertical micro capacitive flexible mechanical sensor

【技术实现步骤摘要】
可贴敷立式微电容式柔性力学传感器及其制作方法和应用
本专利技术涉及一种力学传感器，特别涉及一种可贴敷立式微电容式柔性力学传感器及其制作方法和应用，属于微机电

技术介绍
近年来假肢技术虽然有了很大发展，但假肢的拒用和弃用率仍然很高，主要原因是缺乏安全且有效的触觉感知反馈与仿生柔顺控制功能。作为感知信息来源的最前端触觉传感器，其信号检测的精准性、辨识度及与人体生理信号融合性，是佩戴者能通过后端神经反馈通道建立类自然人手柔顺抓、握、扭等基本控制动作的信息基础，成为领域内一个研究重点。近年随着柔性电子技术的兴起与快速发展，利用柔性电子传感器轻、薄及与曲面良好共形等优点，让假肢手实现类似人体柔性皮肤的自然触觉感知功能成为可能。目前柔性电子传感器研究主要是针对压力传感灵敏度、稳定性等，但解决触感位置及触觉模式的有效分辨问题，尤其是对压力和剪切力(即静摩擦力、滑动摩擦力)的精确辨识，是柔性传感器领域重要挑战。已报道研究工作，主要采用压力传感阵列并辅助以信号处理技术，存在采集数据量大且直观性差、信号处理模式复杂等问题，这对于在仿生假肢手或机器人仿生皮肤应用而言过于复杂，无法直接应用在假肢手感知。能够区分压力、剪切力的单一柔性传感器件目前还没有相关报道，这就是一个挑战，其原因在于一般报道柔性力学传感器所采用敏感材料或微纳结构对压力和剪切力的响应模式或方式是完全相同的。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种可贴敷式具有仿指纹“涡纹”微纳结构的立式微电容式柔性力学传感器及其制作方法和应用，从而克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例一方面提供了一种可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其包括柔性衬底、敏感层以及至少两个电极，所述敏感层设置在柔性衬底的表面，所述至少两个电极间隔设置在敏感层上；其中，所述敏感层包括设置在柔性衬底表面的电容微极板以及设置在所述电容微极板表面的纳米线导电网络层，所述电容微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一电容微极板、第二电容微极板，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成仿指纹涡纹的三维立体双螺旋状微纳结构，所述第一电容微极板与第二电容微极板之间还分布有聚合物介电层。进一步的，所述第一电容微极板、第二电容微极板的高度为10～50μm，宽度为5～20μm，螺旋圈数为10～50圈，且第一电容微极板与第二电容微极板之间的间距大于30μm而小于或等于100μm。进一步的，所述纳米线导电网络层包括由复数根金属纳米线相互交织形成的具有三维网状互联结构的金属纳米线三维网络导电薄膜。更进一步的，所述金属纳米线包括银纳米线、铜纳米线、金纳米线、镍纳米线的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。更进一步的，所述金属纳米线三维网络导电薄膜的厚度为2～10μm。进一步的，所述柔性衬底、敏感层与聚合物介质层结合为一体，所述纳米线导电网络层与电容微极板表面形成连续一体化界面结构。进一步的，所述电极为电极线，所述电极线的一端与纳米线导电网络层电性结合，另一端由所述纳米线导电网络层表面引出。进一步的，所述聚合物介电层的材质包括热塑性弹性体、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步的，所述柔性衬底的材质包括聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺和聚乙烯的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步的，所述柔性衬底的厚度为20～300μm。进一步的，所述电容微极板与柔性衬底一体成型设置，所述电容微极板的材质与柔性衬底的材质相同，所述电容微极板的材质包括聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺和聚乙烯的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步的，所述电容式柔性力学传感器的厚度为190～500μm。本专利技术实施例另一方面还提供了如所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器的制作方法，其包括：提供表面设有图案化凹槽的模板，所述图案化凹槽包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一凹槽、第二凹槽，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成仿指纹涡纹的三维立体双螺旋状微纳结构；在所述模板表面施加金属纳米线分散液，形成金属纳米线三维网络导电薄膜；除去所述模板表面除图案化凹槽之外区域的金属纳米线三维网络导电薄膜，使余留于第一凹槽、第二凹槽内的金属纳米线三维网络导电薄膜作为纳米线导电网络层；将用于形成电容微极板和柔性衬底的预聚物涂布在所述模板表面，之后使所述预聚物固化形成电容微极板和柔性衬底，将相互结合的柔性衬底、电容微极板和纳米线导电网络层与模板分离，其中，所述电容微极板一体成型在所述柔性衬底表面，所述纳米线导电网络层设置于所述电容微极板表面从而构建敏感层，并且，所述电容微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一电容微极板、第二电容微极板，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成仿指纹涡纹的三维立体双螺旋状微纳结构；至少在所述第一电容微极板与第二电容微极板之间填充聚合物介电材料，从而形成聚合物介电层。进一步的，所述的制作方法具体包括：将溶度为1-10wt％的金属纳米线分散液涂布在所述模板表面，之后干燥形成具有三维网状互联结构的金属纳米线三维网络导电薄膜。进一步的，所述的制作方法具体包括：采用机械剥离的方式除去所述模板表面除图案化凹槽之外区域的金属纳米线三维网络导电薄膜，而使位于第一凹槽、第二凹槽内的金属纳米线三维网络导电薄膜被保留。进一步的，所述的制作方法具体包括：在表面结合有敏感层的柔性衬底表面涂布聚合物介电材料，之后固化，从而形成聚合物介电层。更进一步的，所述的制作方法还包括：将第一电极板、第二电极板表面的纳米线导电网络层分别与至少一电极线一端电性结合，并使所述电极线的另一端从纳米线导电网络层表面引出。进一步的，所述第一凹槽、第二凹槽的深度为10～50μm，宽度为5～20μm，螺旋圈数为10～50圈，且第一凹槽与第二凹槽之间的距离大于30μm而小于或等于100μm。本专利技术实施例还提供了一种仿触觉神经脉冲信号电路系统，其包括：所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，以及，用以与所述可贴敷立式微电容式柔性力学传感器连接而形成信号转换的功能电路。进一步的，所述可贴敷立式微电容式柔性力学传感器、功能电路还与电源连接而形成工作回路，所述电路系统功能为能将所述传感器输出的电压电话信号转换为具有频率特征的脉冲信号。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：1)本专利技术通过仿人手指纹“涡纹”微纳结构对物体位置及模式精确感知模式，构筑具有双螺旋状微纳结构电极板的立式微电容式结构柔性力学传感器，建立了螺旋式微纳结构在径向垂直压力、切向静摩擦力及滑动摩擦力作用下形变响应模式的理论机制，在不需复杂信号解析或算法条件下，实现单一仿生微纳结构柔性力学传感器对压力、静摩擦力、滑动摩擦力的精确感知及辨识能力；2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其特征在于包括柔性衬底、敏感层以及至少两个电极，所述敏感层设置在柔性衬底的表面，所述至少两个电极间隔设置在敏感层上；/n其中，所述敏感层包括设置在柔性衬底表面的电容微极板以及设置在所述电容微极板表面的纳米线导电网络层，所述电容微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一电容微极板、第二电容微极板，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成仿指纹涡纹的三维立体双螺旋状微纳结构，所述第一电容微极板与第二电容微极板之间还分布有聚合物介电层。/n

【技术特征摘要】
1.一种可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其特征在于包括柔性衬底、敏感层以及至少两个电极，所述敏感层设置在柔性衬底的表面，所述至少两个电极间隔设置在敏感层上；
其中，所述敏感层包括设置在柔性衬底表面的电容微极板以及设置在所述电容微极板表面的纳米线导电网络层，所述电容微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一电容微极板、第二电容微极板，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成仿指纹涡纹的三维立体双螺旋状微纳结构，所述第一电容微极板与第二电容微极板之间还分布有聚合物介电层。


2.根据权利要求1所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其特征在于：所述第一电容微极板、第二电容微极板的高度为10～50μm，宽度为5～20μm，螺旋圈数为10～50圈，且第一电容微极板与第二电容微极板之间的间距大于30μm而小于或等于100μm。


3.根据权利要求1所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其特征在于：所述纳米线导电网络层包括由复数根金属纳米线相互交织形成的具有三维网状互联结构的金属纳米线三维网络导电薄膜。


4.根据权利要求3所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其特征在于：所述金属纳米线包括银纳米线、铜纳米线、金纳米线、镍纳米线的任意一种或两种以上的组合。


5.根据权利要求3所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其特征在于：所述金属纳米线三维网络导电薄膜的厚度为2～10μm。


6.根据权利要求1所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其特征在于：所述柔性衬底、敏感层与聚合物介质层结合为一体。


7.根据权利要求1所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其特征在于：所述电极为电极线，所述电极线的一端与纳米线导电网络层电性结合，另一端由所述纳米线导电网络层表面引出。


8.根据权利要求1所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其特征在于：所述聚合物介电层的材质包括热塑性弹性体、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺的任意一种或两种以上的组合。


9.根据权利要求1所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其特征在于：所述柔性衬底的材质包括聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺和聚乙烯的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述电容微极板与柔性衬底一体成型设置；和/或，所述柔性衬底的厚度为20～300μm；和/或，所述电容微极板的材质包括聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺和聚乙烯的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述电容式柔性力学传感器的厚度为190～500μm。


10.如权利要求1-9中任一项所述的可贴敷立式微电容式柔性...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁，张珽，李玥，曹志广，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32