一种柔性电容式接近-触觉双模传感阵列及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性电容式接近‑触觉双模传感阵列及制备方法，包括，制备电极层、制备介电层、传感器阵列封装。通过制备得到包括介电层、上电极层和下电极层以及电极层外侧的透明柔性基底，上电极层和下电极层的线性阵列每列包含多个电极单元，上电极层和下电极层的线性阵列相互呈垂直分布于介电层的上下表面，通过蛇形引出线连接外电路。本发明专利技术采用3D打印技术进行电极层的制备，工艺简单，成本低，具有良好的延展性。h‑BN/PDMS介电层上下表面具有微结构，可以提高触觉检测模式的灵敏度、响应时间等性能参数。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性电容式接近-触觉双模传感阵列及制备方法
本专利技术属于柔性传感器领域，特别是涉及一种基于3D打印技术的柔性电容式接近-触觉双模传感阵列及其制备方法。
技术介绍
随着计算机技术和传感器技术的发展以及智能终端的普及，为柔性可穿戴传感器的研究提供广阔的发展空间和市场前景。柔性传感器具有延展性、成本低、与人体易共形等特点，主要应用于医疗监测、机器人、游戏等领域。随着人们对传感器结构尺寸以及功能要求越来越高，单一功能的传感器已经不能满足需求。接近感知传感器和触觉传感器是当前柔性传感器的研究热点之一。因此，把两者集成到单个传感器中，对柔性可穿戴传感器的发展及应用十分重要。目前，接近感知方式主要有电容感知、红外光、超声波、磁感应等方式。相比于其他几种方式，电容传感器具有动态响应特性好、高空间分辨率、高灵敏度等、制备简单等特点，同时对颜色和纹理不敏感。此外，电容式传感方式已经广泛应用于触觉传感器，具有成熟的设计方案。将两种检测模式集成在单片传感器后，可以用来感知物体在接近过程中的距离和空间位置，以及在接触到传感器后压力大小等参数，通过对检测结果处理，可实现对接近物体三维感知的功能。传统的电容式传感器制造存在工艺复杂、精度低、成本高、基体为刚性、难以阵列化等问题，严重影响柔性传感器的发展。近年来，纳米材料技术以及3D打印技术的快速发展使得电容式传感器的阵列化、柔性化、微型化成为可能。因此，采用3D打印技术可以快速完成三维构型能力强、精密度高、面积大、结构复杂的柔性传感器的制备，为研究柔性电容式接近-触觉传感器阵列提供方法和基础。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种采用3D打印技术的柔性电容式接近-触觉双模传感阵列设计及其制备方法，解决传统的电容式传感器基体刚性化、难以阵列化等问题，实现了电容式传感器的阵列化、柔性化、微型化。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。一种电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，包括以下步骤：S1，制备电极层：柔性基底预处理；将银基材料通过3D打印的方法按照预定的电极图形打印到预处理后的柔性基底上，形成多条呈线性排列的导电电极，干燥，形成银电极层；S2，制备介电层：将掺杂h-BN的PDMS介电层薄膜材料旋涂在具有金字塔微结构的砂纸上，抽取介电层薄膜材料中的气泡，干燥，固化，得到具有凹槽微结构的介电层；将两片固化的h-BN/PDMS介电层光滑面粘贴在一起，使上下表面具有凹槽微结构，作为传感器阵列的介电层；S3，传感器阵列封装：将步骤S1得到的具有两个线性排列的电极层封装于介电层上下表面，上电极层与下电极层的多条线性排列的电极相互垂直，自此完成电容式接近-触觉双模传感阵列的制备。对于上述技术方案，本专利技术还有进一步优选的方案：进一步，柔性基底预处理为在等离子清洗机中清理3-5min。进一步，所述银基材料为银墨水或导电银胶。进一步，在柔性基体上形成大小一致的条状导电电极以及用于连接电极的蛇形导线，在60～80℃条件下加热1～3h，使液态银电极固化。进一步，所述掺杂h-BN的PDMS介电层薄膜材料为将聚二甲基硅氧烷聚合物、固化剂和h-BN以质量比为(5～15):1：(0.5～1)的比例混合。进一步，所述固化剂型号为道康宁184。进一步，将适量的h-BN/PDMS混合材料均匀涂抹在具有金字塔型微结构的砂纸上，再将涂抹h-BN/PDMS的砂纸放在匀胶机上以500～1000r/min的转速旋转40～60s。进一步，在真空抽滤机中除去h-BN/PDMS薄膜内的气泡，于恒温加热台上60～80℃条件下加热2～4h，使h-BN/PDMS薄膜固化。本专利技术进而给出了一种电容式接近-触觉双模传感阵列，包括介电层、上电极层和下电极层以及电极层外侧的透明柔性基底，上电极层和下电极层的线性阵列每列包含多个电极单元，上电极层和下电极层的线性阵列相互呈垂直分布于介电层的上下表面，上电极层与下电极层通过蛇形引出线连接外电路。进一步，使用PET材料作为柔性基底支撑电容电极。进一步，上电极层和下电极层组成平行板电容，传感器受力发生形变后电容值改变，通过检测电容变化量来测量外部力的大小：C0＝ε0εrS/d0式中，ε0为真空介电常数；εr为介电层的相对介电常数；d0为电容极板间的初始间隙；S为电极重叠相对面积。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：本专利技术的一种电容式接近-触觉双模传感阵列，基于平行板电容器原理，采用三明治结构，具有微结构的h-BN/PDMS薄膜作为介电层，带有蛇形电极的柔性基底作为上下电极层，结构简单。本专利技术的电容阵列的PDMS介电层具有高柔性、低模量、低成本等特点。此外，在PDMS中掺杂h-BN材料，相较于纯PDMS的介电层，提高了介电层的介电常数等力电性能，改善了传感器性能参数。本专利技术的电容式接近-触觉传感器阵列上具有两种检测模式，采用3D打印技术进行电极层的制备，工艺简单，成本低，具有良好的延展性。h-BN/PDMS介电层上下表面具有微结构，可以提高触觉检测模式的灵敏度、响应时间等性能参数。当用于接近检测模式时，物体接近电容阵列，所接近的电容单元电容值减小，即传感器可以检测物体的位置、距离，从而感受被检测物体的形状。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：图1是本专利技术一种电容式接近-触觉双模传感阵列的电容单元结构示意图；图2是本专利技术一种电容式接近-触觉双模传感阵列的上电极层示意图；图3是本专利技术一种电容式接近-触觉双模传感阵列的上下电极层叠合后的俯视图；图4是本专利技术用于介电层倒模的砂纸扫描电镜图；图5是本专利技术介电层表面微结构扫描电镜图；图6是本专利技术一种电容式接近-触觉双模传感阵列在接近模态时电场分布原理图。具体实施方式下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本专利技术，在此本专利技术的示意性实施例以及说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。参考图1-图3，电容式接近-触觉双模传感阵列，包括上柔性基底1和下柔性基底5，上电极层2和下电极层4，上电极层2和下电极层4之间设置有介电层3；介电层3上下表面均有微结构；上电极层2和下电极层4均有用于外部连接的蛇形引出线。上电极层2和下电极层4的线性阵列每列包含多个电极单元，上电极层和下电极层的线性阵列相互呈垂直分布于介电层的上下表面，见图2所示，上电极层与下电极层通过蛇形引出线连接外电路。在一个实施例中，使用PET作为上柔性基底1和下柔性基底5的材料，用于支撑上电极层2和下电极层4，厚度为100μm；上电极层2和下电极层4的材料为银，上电极层2和下电极层4均呈线性阵列排列且相互垂直，每列包含多个电极单元，电极列的间距为4mm，电极单元的间距为4mm；每列的电极单元的直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，制备电极层：/n柔性基底预处理；/n将银基材料通过3D打印的方法按照预定的电极图形打印到预处理后的柔性基底上，形成多条呈线性排列的导电电极，干燥，形成银电极层；/nS2，制备介电层：/n将掺杂h-BN的PDMS介电层薄膜材料旋涂在具有金字塔微结构的砂纸上，抽取介电层薄膜材料中的气泡，干燥，固化，得到具有凹槽微结构的介电层；/n将两片固化的h-BN/PDMS介电层光滑面粘贴在一起，使上下表面具有凹槽微结构，作为传感器阵列的介电层；/nS3，传感器阵列封装：/n将步骤S1得到的具有两个线性排列的电极层封装于介电层上下表面，上电极层与下电极层的多条线性排列的电极相互垂直，自此完成电容式接近-触觉双模传感阵列的制备。/n

【技术特征摘要】
1.一种电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制备电极层：
柔性基底预处理；
将银基材料通过3D打印的方法按照预定的电极图形打印到预处理后的柔性基底上，形成多条呈线性排列的导电电极，干燥，形成银电极层；
S2，制备介电层：
将掺杂h-BN的PDMS介电层薄膜材料旋涂在具有金字塔微结构的砂纸上，抽取介电层薄膜材料中的气泡，干燥，固化，得到具有凹槽微结构的介电层；
将两片固化的h-BN/PDMS介电层光滑面粘贴在一起，使上下表面具有凹槽微结构，作为传感器阵列的介电层；
S3，传感器阵列封装：
将步骤S1得到的具有两个线性排列的电极层封装于介电层上下表面，上电极层与下电极层的多条线性排列的电极相互垂直，自此完成电容式接近-触觉双模传感阵列的制备。


2.根据权利要求1所述的电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，柔性基底预处理为在等离子清洗机清理3-5min。


3.根据权利要求1所述的电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，所述银基材料为银墨水或导电银胶。


4.根据权利要求1所述的电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，在柔性基体上形成大小一致的条状导电电极以及用于连接电极的蛇形导线，在60～80℃条件下加热1～3h，使液态银电极固化。


5.根据权利要求1所述的电容式接近-触觉双模传感阵列的制备方法，其特征在于，所述掺杂h-BN的PDMS介电层薄膜材料为将聚二甲基硅氧烷、固化剂和h-BN以...

【专利技术属性】
技术研发人员：高立波，王卫东，陆洋，李思雨，张海燕，朱应敏，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61