一种自供能机器人表皮传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自供能机器人表皮传感器及其制备方法，所述传感器包括包括表面封装层、上层负极性摩擦材料层、弹性介质层、下层正极性摩擦材料层以及串联电阻；弹性介质层位于上层负极性摩擦材料层和下层正极性摩擦材料层之间，弹性介质层为网格状结构，上层负极性摩擦材料层上表面设置有上层条形电极，下层正极性摩擦材料层下表面设置有下层条形电极。该压力感知传感器具有自供能的特点，在无电源供应的情况下即可输出电信号；采用具有表面结构的复合薄膜，增大了摩擦过程中电荷的转移，大大提高了器件的输出性能；也消除了对按压物体材料的限制；设计了横纵电极的结构，一次按压能够产生两路电信号。

【技术实现步骤摘要】
一种自供能机器人表皮传感器及其制备方法
本专利技术涉及传感器
，具体为一种自供能机器人表皮传感器及其制备方法。
技术介绍
柔性电子是近年来比较火热的研究方向，相对于传统电子，柔性电子具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足设备的形变要求。摩擦纳米发电机基于摩擦起电原理和静电感应原理，能够将外界施加的机械能转化为电能，从而可以实现传感器自供能，同时它可以制备成柔性器件，在能源收集、可穿戴设备等领域展现了巨大应用前景。随着对摩擦纳米发电机的研究不断深入，越来越多的高性能摩擦纳米发电机问世，同时基于摩擦纳米发电机的应用也不断丰富。我们很自然地联想到，摩擦纳米发电机的问世为机器人表皮压力传感提供了一种新的解决方案。因为摩擦纳米发电机能够将外界的机械能转化为可测量的电信号，它可以作为柔性传感器配置在机器人表皮上感知压力，当机器人与外界发生交互时，便会产生相应电信号，通过信号处理从而让机器人实现对外界接触的感知。同时它又具有传统压电、压阻传感器不具有的优势，即可以制作成柔性透明传感器，能够较好地随着机器人表皮配置，达到类皮肤的功能，不仅如此，基于摩擦纳米发电机的传感器对外界接触感知时能够实现自供能，降低了对系统能源供应的需要。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术目的是提供一种能够实现对任意物体施加的压力实现感知的自供能机器人表皮传感器，本专利技术的另一目的是提供一种工艺简单、成本低廉的自供能柔性机器人表皮传感器的制备方法。技术方案：本专利技术提供的一种自供能机器人表皮传感器包括表面封装层、上层负极性摩擦材料层、弹性介质层、下层正极性摩擦材料层以及串联电阻，表面封装层用于封装上层负极性摩擦材料层、弹性介质层、下层正极性摩擦材料层以及串联电阻，保护内部摩擦材料层，同时隔绝外部干扰；弹性介质层位于上层负极性摩擦材料层和下层正极性摩擦材料层之间，弹性介质层为网格状结构，上层负极性摩擦材料层上表面设置有上层条形电极，下层正极性摩擦材料层下表面设置有下层条形电极。上层条形电极为多条互相平行的电极，下层条形电极也为多条互相平行的电极，且上层条形电极和下层条形电极的数量相等，上层条形电极与下层条形电极的方向互相垂直，每条上层条形电极与每条下层条形电极分别通过铜导线引出、且分别连接串联电阻后接地。所述串联电阻阻值采用100MΩ。串联电阻的数量等于上层条形电极与下层条形电极数量之和。上层条形电极与下层条形电极在弹性介质层上的投影的交点均位于弹性介质层的网格中。上层负极性摩擦材料层在压力作用下穿过弹性介质层的网格孔与下层正性摩擦材料层相互接触。所述表面封装层为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇薄层、硅橡胶、橡胶或聚酰亚胺中的一种或多种复合制成。优选地，表面封装层为聚对苯二甲酸乙二醇酯。上层负极性摩擦材料层为具有表面粗糙结构的聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯复合薄膜。下层正极性摩擦材料层为聚酰胺、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种复合制成，优选地，下层正极性摩擦材料层为聚酰胺薄膜。上层条形电极与下层条形电极均为金、银、铜、铝的一种或多种，优选地，上层条形电极与下层条形电极材料选择金。弹性介质层为透明、具有一定厚度的双面胶带。本专利技术的一种自供能机器人表皮传感器的制备方法，包含以下步骤：a、上层负极性摩擦材料层及上层条形电极的制备：将3g聚二甲基硅氧烷倒入烧杯，添加0.3g固化剂，0.3g聚四氟乙烯粉末，3滴正己烷，玻璃棒搅拌5分钟。利用真空干燥箱去除气泡，将纯净混合溶液在砂纸表面以250rpm转速旋涂2分钟，在60～85℃的真空环境下加热固化1～2小时，剥离后制得下表面具有粗糙结构的上层负极性复合薄膜，尺寸为5cm×5cm；所述砂纸为150～300目。将有条形结构的掩膜模板固定在上层负极性摩擦材料层光滑面上，利用真空蒸镀技术在上层负极性复合薄膜光滑面上镀上层条形电极。真空压强小于7.5×10-4KPa。b、下层正极性摩擦材料层及下层条形电极的制备：绘制有条形结构的掩模模板，宽长为0.3cm×5cm，裁减尺寸为5cm×5cm×50μm的聚酰胺薄膜，将有条形结构的掩膜模板固定在下层正极性摩擦材料层表面，也就是聚酰胺薄膜的表面，利用真空蒸镀技术在下层正极性摩擦材料层表面镀下层条形电极。真空压强小于7.5×10-4KPa。c、网格状弹性介质层的制备：绘制有网格状结构的掩模模板，将其覆盖在1mm厚的透明胶带上，利用激光雕刻机雕刻出网格镂空形状，雕刻的功率为30～60W，速度为10～55mm/s，精度为500ppi；激光雕刻过程重复3～12次。d、功能层的制备：将弹性介质层固定在上层负极性摩擦材料层和下层正极性摩擦材料层之间，确保上层条形电极位于上层负极性摩擦材料层的上表面，下层条形电极位于下层正极性摩擦材料层下表面，且上层条形电极和下层条形电极在弹性介质层上的投影的交汇点位于弹性介质层的网格中。e、自供能柔性压力感知传感器的制备：将每条上层条形电极和每条下层条形电极利用铜导线引出，每根导线串联100MΩ的电阻接地，用封装层封装器件，即制得自供能柔性压力感知传感器。工作原理：本专利技术一种自供能机器人表皮传感器基于摩擦电原理，当外界对传感器施加压力时，上层负极性摩擦材料层发生形变，穿过弹性介质层的网格与下层正极性摩擦材料层发生接触摩擦，由于摩擦起电原理，在上层负极性摩擦材料层表面会积聚负电荷，下层正极性摩擦材料层表面积聚正电荷，在撤去压力后，弹性介质层发生形变复原，由于静电感应原理，在薄膜背面电极会与地之间发生电荷流动，在电阻两端可以测量出电压信号。同时，随着按压压力的增大，器件产生的输出会随之增大，能够大致测量出按压压力大小，结合横纵设置的上下层条形电极电极上的电信号，即可确定按压点的位置。有益效果：本专利技术和现有技术相比，具有如下显著性特点：该压力感知传感器具有自供能的特点，在无电源供应的情况下即可输出电信号；采用具有表面结构的复合薄膜，增大了摩擦过程中电荷的转移，大大提高了器件的输出性能；同时设计了器件的结构，将两层摩擦材料放置在器件中，消除了对按压物体材料的限制，能够实现对任意物体施加的压力进行感知；设计了横纵电极的结构，一次按压能够产生两路电信号，不仅能够估量按压压力的大小，还能够确定按压点；自供能柔性压力感知传感器的制备工艺简单，制备成本低，制备周期短，易于规模化生产；该自供能柔性传感器在压力感知以及机器人电子皮肤领域具有潜在的应用价值。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术的上层负极性摩擦材料层扫描电镜图。图3为本专利技术的压力-电压响应图。其中：1、表面封装层；2、上层负极性摩擦材料层；3、弹性介质层；4、下层正极性摩擦材料层；21、上层条形电极；41、下层条形电极。具体实施方式如图1所示，本专利技术提供的一种自供能机器人表皮传感器包括表面封装层1、上层负极性摩擦材料层2、弹性介质层3、下层正极性摩擦材料层4以及串联电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自供能机器人表皮传感器，其特征在于，包括表面封装层、上层负极性摩擦材料层、弹性介质层、下层正极性摩擦材料层以及串联电阻；/n表面封装层用于封装上层负极性摩擦材料层、弹性介质层、下层正极性摩擦材料层以及串联电阻，弹性介质层位于上层负极性摩擦材料层和下层正极性摩擦材料层之间，弹性介质层为网格状结构，上层负极性摩擦材料层上表面设置有上层条形电极，下层正极性摩擦材料层下表面设置有下层条形电极；/n上层条形电极为多条互相平行的电极，下层条形电极也为多条互相平行的电极，且上层条形电极和下层条形电极的数量相等，每条上层条形电极与每条下层条形电极分别通过导线引出、且分别连接串联电阻后接地；/n上层条形电极与下层条形电极在弹性介质层上的投影的交点均位于弹性介质层的网格中。/n

【技术特征摘要】
1.一种自供能机器人表皮传感器，其特征在于，包括表面封装层、上层负极性摩擦材料层、弹性介质层、下层正极性摩擦材料层以及串联电阻；
表面封装层用于封装上层负极性摩擦材料层、弹性介质层、下层正极性摩擦材料层以及串联电阻，弹性介质层位于上层负极性摩擦材料层和下层正极性摩擦材料层之间，弹性介质层为网格状结构，上层负极性摩擦材料层上表面设置有上层条形电极，下层正极性摩擦材料层下表面设置有下层条形电极；
上层条形电极为多条互相平行的电极，下层条形电极也为多条互相平行的电极，且上层条形电极和下层条形电极的数量相等，每条上层条形电极与每条下层条形电极分别通过导线引出、且分别连接串联电阻后接地；
上层条形电极与下层条形电极在弹性介质层上的投影的交点均位于弹性介质层的网格中。


2.根据权利要求1所示一种自供能机器人表皮传感器，其特征在于，上层条形电极与下层条形电极的方向互相垂直。


3.根据权利要求1所示一种自供能机器人表皮传感器，其特征在于，所述表面封装层为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇薄层、硅橡胶、橡胶或聚酰亚胺中的一种或多种复合制成。


4.根据权利要求1所示一种自供能机器人表皮传感器，其特征在于，上层负极性摩擦材料层为具有表面粗糙结构的聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯复合薄膜。


5.根据权利要求1所示一种自供能机器人表皮传感器，其特征在于，下层正极性摩擦材料层为聚酰胺、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种复合制成。


6.根据权利要求1所示一种自供能机器人表皮传感器，其特征在于，上层条形电极与下层条形电极均为金、银、铜、铝的一种或多种。


7.根据权利要求1所示一种自供能机器人表皮传感器，其特征在于，弹性介质层为透明的双面胶带。


8.一种如权利要求1所述一种自供能机器人表皮...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴俊，林玉成，段升顺，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32