基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器制造技术

本发明专利技术涉及基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，由封装层、柔性衬底/电极、梯度孔结构压阻层构成。灵敏度和响应范围作为触觉传感器最重要的两个指标，改善这两个指标一直都是触觉传感领域的研究热点，因为高灵敏度和大响应范围触觉传感器可以使机器人实现多场景精准感知，这一目标的实现将大大简化机器人传感设备，为机器人轻型化制备提供有利条件。但由于同时改善这两个指标的条件是相矛盾的，导致这一目标始终没有得到有效地进展。为了这一目标，本发明专利技术通过构建具有梯度弹性模量的梯度孔结构，实现了大响应范围、高灵敏度及快响应时间触觉传感器的制备。提供了一种适用于机器人多场景精准感知的新型结构触觉传感器制备方法。

【技术实现步骤摘要】
基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器
本专利技术涉及一种基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，属于触觉传感

技术介绍
近年来，随着人工智能和物联网的迅速发展，智能感知在机器人、假肢感知外界环境和人机交互方面发挥着越来越重要的作用，触觉传感器作为实现智能感知最基础、最重要的技术方式，制备高性能触觉传感器成为了现阶段的研究热点。对于触觉传感器而言，灵敏度、响应范围及响应时间是最重要的三个性能指标，因为灵敏度是触觉传感器检测精准程度的基本体现，响应范围决定着触觉传感器的应用场景，响应时间是触觉传感器传输快慢的决定性因素。因此，高灵敏度、大响应范围及快响应时间触觉传感器的制备可以使机器人、假肢快速、精准的在多场景下感知外界环境和人机交互。为了制备这一高性能的触觉传感器，学者们进行了大量的研究，主要集中在四类转导机制：压阻式、电容式、压电式及摩擦电式。其中压阻式触觉传感器由于制备工艺简便、灵敏度高及可检测动静态施加力等优点，应用最为广泛。但经研究表明，改善灵敏度和响应范围两个性能指标的条件要求是相矛盾的，比如，要实现小施加力范围内的高灵敏度感知，就需要有低弹性模量的弹性体，而低弹性模量的弹性体在大施加力范围内失去了响应，再比如，要实现大施加力范围内的高灵敏度感知，就需要有高弹性模量的弹性体，而高弹性模量的弹性体在小施加力范围内不能产生响应。因此目前制备的触觉传感器仅能在某一范围内(小范围施加力或大范围施加力)保持着较高灵敏度。上述分析认为，现阶段无法有效实现在大响应范围内保持高灵敏度触觉传感器的制备，这一问题的存在会很大程度上降低触觉传感器在机器人、假肢应用中感知外界环境和人机交互的精准度和场景利用率，会使机器人、假肢的传感设备复杂化。针对这一问题，我们通过构建具有梯度弹性模量的梯度孔结构(孔隙和孔径从上至下逐渐降低)和制备梯度孔结构压阻层，实现了高灵敏度、大响应范围及快响应时间压阻式触觉传感器的制备。这一触觉传感器的制备将大大简化机器人传感设备，为机器人的轻型化制备提供有利条件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于梯度弹性模量改善触觉传感器灵敏度、响应范围及响应时间的方法，提供一种适用于机器人多场景快速精准感知的新型结构触觉传感器的制备方法。本专利技术一是提供一种基于梯度弹性模量的高灵敏度、大响应范围及快响应时间触觉传感器，包括封装层、柔性衬底/电极、梯度孔结构压阻层。本专利技术二是提供了一种适用于机器人多场景快速精准感知的新型结构触觉传感器的制备方法。为了实现本专利技术的目的，实行了以下技术方案：一种基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器的制备方法，由柔性衬底/电极、封装层及梯度孔结构压阻层组成。进一步的，柔性衬底/电极通过在柔性衬底上蒸镀ITO薄膜，ITO薄膜厚度为50nm，所述的柔性衬底材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。进一步的，梯度孔结构压阻层由梯度孔结构聚合物材料和导电材料组成。进一步的，梯度孔结构聚合物材料通过蒸汽法制备，制备温度为120-250℃，优选为150-200℃。所述的聚合物材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。进一步的，制备梯度孔结构聚合物材料的保温时间为8-20min，优选为10-15min。进一步的，所述梯度孔结构聚合物材料的孔隙分布由上至下呈现由大至小的趋势，底层达到致密，孔径分布由上至下同样呈现出由大至小的趋势，这一结构的构建能使一块聚合物材料薄膜具有不同弹性模量。进一步的，梯度孔结构压阻层通过将导电材料以渗透填充方式均匀分散于梯度孔结构聚合物材料中实现制备，所述的导电材料为碳纳米管，所述梯度孔结构压阻层的厚度为200μm。进一步的，将所述的梯度孔结构压阻层经氧等离子处理之后，将其层压于上、下柔性衬底/电极之间。进一步的，采用聚合物材料将上述器件进行封装，所述的聚合物材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。与已有技术相比，本专利技术的有益效果为：在本专利技术中，基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，与现阶段制备的触觉传感器相比，它具有在大响应范围内始终保持高灵敏度、快响应时间的能力，这一能力在机器人应用中可以使基于梯度弹性模量的触觉传感器实现的功能相当于多个普通具有不同响应范围的集成触觉传感器的功能，可以较好的应用于多场景精准快速的检测，进而进一步简化机器人、假肢的传感设备，为轻量化、小型化人机交互机器人的制备提供了有利条件。此外，基于梯度弹性模量触觉传感器的制备工艺简便、易于读取、易于集成及易于产业化。附图说明图1为基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器的三维结构图；图2为基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器的制备流程图；图3为梯度孔结构聚合物材料的断面扫描图；图4为基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器的不同压力下I-V的曲线；图5为基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器的响应时间；图6为基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器和基于单一弹性模量的触觉传感器电流相对变化量对比图；图中标号：1上柔性基底；2上电极；3梯度孔结构聚合物；4碳纳米管；5下电极；6下柔性基底。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明，所述的实施例仅用于说明本专利技术，而不应将本专利技术的保护范围限于所述实施例。实施例如图1所示，基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器包括上柔性衬底1/电极2、下柔性衬底6/电极5、梯度孔结构聚合物3和碳纳米管4。柔性衬底1为电极2提供支撑作用，封装层为器件提供器件不受环境如水氧、灰尘的侵蚀和影响的保障，由梯度孔结构聚合物3和碳纳米管4组成的具有梯度弹性模量的梯度孔结构压阻层是该触觉传感器的核心部分，位于上柔性衬底1/电极2和下柔性衬底6/电极5之间，并与两柔性衬底/电极接触。具体制备流程图如图2所示。其中，梯度孔结构聚合物层具体表现为孔隙率由上至下呈现出由大至小的趋势，底层达到致密，孔径大小由上至下同样呈现出由大至小的趋势。梯度孔结构的构建，可以保证在同一弹性体实现不同弹性模量的组成单元，即由上之下，弹性模量逐渐增加，而在不同响应范围内实现高灵敏度触觉传感器制备的本质就是改变弹性体的弹性模量。因此，在具有梯度弹性模量的梯度孔结构条件下，当施加小作用力时，高孔隙部分具有大的应变，即具有高的灵敏度，当施加大作用力时，低孔隙部分和致密部分可以使器件具有高的响应，即可以实现触觉传感器在大响应范围内均保持高灵敏度的状态。具体的，选用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为柔性基底，在柔性基底上通过电子束蒸镀透明ITO电极，电极厚度为50nm。之后将柔性衬底/电极(PET/ITO)裁剪为1cm×2.5cm,厚度为150μm。具体的，梯度孔结构压阻层由梯度孔结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)和碳纳米管组成。其中，梯度孔结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过蒸汽法制备，具体的制备方法为：首先本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，其特征在于，包括封装层、柔性衬底/电极和梯度孔结构压阻层，其中柔性衬底为电极提供支撑，厚度为150-300μm，电极分布于柔性衬底表面，厚度为25-55nm，梯度孔结构压阻层位于上、下柔性衬底/电极之间，与两柔性衬底/电极接触，厚度为100-300μm，封装层提供保证器件不受环境如水氧、灰尘的侵蚀和影响的作用。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，其特征在于，包括封装层、柔性衬底/电极和梯度孔结构压阻层，其中柔性衬底为电极提供支撑，厚度为150-300μm，电极分布于柔性衬底表面，厚度为25-55nm，梯度孔结构压阻层位于上、下柔性衬底/电极之间，与两柔性衬底/电极接触，厚度为100-300μm，封装层提供保证器件不受环境如水氧、灰尘的侵蚀和影响的作用。


2.根据权利要求1所述的基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，其特征在于，所述柔性衬底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)。


3.根据权利要求1所述的基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，其特征在于，所述电极材料为ITO薄膜、石墨烯薄膜、碳纳米管、银纳米线。


4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡平安，王帅，张甲，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23