一种离子聚合物摩擦感知型人工皮肤制造技术

本发明专利技术公开了一种离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，包括压力传感器芯层和摩擦传感器芯层，压力传感器芯层的上侧和下侧分别设置电极层构成压力传感器，摩擦传感器芯层的上侧和下侧分别设置电极层构成摩擦传感器，压力传感器和摩擦传感器分别连接对应的调理电路，多个压力传感器和摩擦传感器采用水平分布或垂直分布的方式封装在密封层的下方形成离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，用于获取物体表面粗糙程度实现皮肤触觉感知。本发明专利技术制作简单且灵敏度高，能够实现动态摩擦力的感知，具有广阔的应用前景。用前景。用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种离子聚合物摩擦感知型人工皮肤


[0001]本专利技术属于人工皮肤摩擦传感
，具体涉及一种离子聚合物摩擦感知型人工皮肤。

技术介绍

[0002]触觉是人类五大基本感觉之一，不仅仅是感知外部世界的手段，而且是人类情感交流的重要途径，因此，触觉技术一直是科学前沿研究的热点。人工皮肤是多个柔性力学传感单元阵列化实现多点压力感知，能够在一定程度上模拟人类皮肤的触觉功能的换能器，在可穿戴设备、柔性机器人、健康监测、用户交互界面等领域具有重要的应用价值。尽管由电子元件组成的人工皮肤取得了巨大进步，如Kim等人利用纳米硅制作的电子型人工皮肤，但是其存在柔性化程度低的问题难以得到广泛应用。Xia等人基于石墨烯薄膜制造的柔性压力传感器，具有灵敏度高和压力测试范围宽的优点，但是其设计以聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜为石墨烯膜的基底，采用化学气相沉积的方法制作石墨烯薄膜，存在制备流程复杂、加工困难等问题。
[0003]随着材料科学的发展，出现了很多柔性传感材料，离子聚合物是一种柔性聚合物材料，具有质量轻、柔韧性好、天然的仿生优势和良好的加工方式等优点，由离子聚合物为基底制作的柔性传感器在压力和摩擦力的作用下具有电压或者电流响应，从而可以实现对压力和摩擦力的感知。本专利技术提出一种离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，集成压力传感器和摩擦力传感器，设计了压力传感器和摩擦传感器垂直分布与水平分布的结构，压力和摩擦力传感器感知芯层采用溶液铸膜的方式制作，具有结构简单、方便制作的优点，压力传感器和摩擦传感器在外力作用下表现为电压或者电流响应的实时变化，因此能够实现动态摩擦力的感知，具有广阔的应用前景。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，实现对摩擦力的感知。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，包括压力传感器芯层和摩擦传感器芯层，压力传感器芯层的上侧和下侧分别设置电极层构成压力传感器，摩擦传感器芯层的上侧和下侧分别设置电极层构成摩擦传感器，压力传感器和摩擦传感器分别连接对应的调理电路，多个压力传感器和摩擦传感器采用水平分布或垂直分布的方式封装在密封层的下方形成离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，用于获取物体表面粗糙程度实现皮肤触觉感知。
[0007]具体的，压力传感器和摩擦传感器水平分布时，压力传感器和摩擦传感器的数量比为1：(1～7)。
[0008]具体的，多个压力传感器和摩擦传感器水平分布时，按方形或圆形结构阵列布置。
[0009]具体的，压力传感器和摩擦传感器垂直分布时，从上至下依次包括：密封层、压力
传感器上电极层、压力传感器芯层、压力传感器下电极层、连接层、摩擦传感器上电极层、摩擦传感器芯层和摩擦传感器下电极层。
[0010]具体的，压力传感器和摩擦传感器垂直分布时，按圆心、方形或三角形结构阵列布置。
[0011]具体的，压力传感器芯层为带有表面微结构或者含有多孔微结构的离子交换膜，分布密度为10～120个/cm2。
[0012]具体的，摩擦传感器芯层为厚度大于等于200微米的离子交换膜，摩擦传感器芯层上设置的感知单元特征尺寸为0.5～5mm，分布密度为15～50个/cm2。
[0013]进一步的，离子交换膜包括：全氟磺酸离子交换膜、全氟羧酸质子交换膜、全氟磺酸质子交换膜和/或全氟磺酸树脂。
[0014]具体的，压力传感器芯层的制备具体为：
[0015]在硅片上刻蚀阵列结构作为铸膜用模具；使用5％浓度的Nafion溶液，经搅拌浓缩、抽真空获得铸膜溶液；将铸膜液旋涂到模具表面，然后经真空干燥和60～80℃烘干处理固化成膜；然后将模具置于去离子水中，进行脱膜处理得到带有表面微结构或含有多孔微结构的压力传感器芯层。
[0016]具体的，摩擦传感器芯层的制备具体为：
[0017]使用5％浓度的Nafion溶液浓缩获得20％～25％的铸膜液；将铸膜液滴入模具表面，并经真空干燥和60～80℃高温烘干处理固化成膜，然后进行脱膜处理获得摩擦传感器芯层。
[0018]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0019]本专利技术一种离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，多个压力传感器和摩擦传感器采用水平分布或者垂直分布的方式，能够分别或同时测量接触压力和摩擦力，并判断物体粗糙程度。
[0020]进一步的，压力传感器和摩擦传感器水平分布时，压力传感器和摩擦传感器的数量比为1：(1～7)。通过压力传感器感知局部压力大小，摩擦力传感器分别感知该部位不同方向的摩擦力。
[0021]进一步的，多个压力传感器和摩擦传感器水平分布时，按方形或圆形结构阵列布置。压力传感器分布在中心感知局部压力大小，一定数量的摩擦传感器围绕中心的压力传感分布在四周，感知不同方向的摩擦力。
[0022]进一步的，压力传感器和摩擦传感器可以成对的方式垂直分布，一对压力传感器和摩擦传感器分别感知同一部位的压力和摩擦力。
[0023]进一步的，压力传感器和摩擦传感器成对的方式垂直分布时，按圆形、方形或三角形结构阵列布置，可以感知不同位置、不同方向的摩擦力。
[0024]进一步的，压力传感器芯层为带有表面微结构或者含有多孔微结构的离子交换膜，分布密度为10～120个/cm2，根据实际需求设置不同分辨率的压力传感器。进一步的，摩擦传感器芯层为厚度大于等于200微米的离子交换膜，摩擦传感器芯层上设置的感知单元特征尺寸为0.5～5mm，分布密度为15～50个/cm2。根据实际需求设置不同分辨率的摩擦传感器。
[0025]进一步的，离子交换膜包括：全氟磺酸离子交换膜、全氟羧酸质子交换膜、全氟磺
酸质子交换膜和/或全氟磺酸树脂，可以实现力
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电转化的国内外离子交换膜均可使用。
[0026]进一步的，压力传感器芯层制备采用翻模法，获得带有表面微结构的压力传感器芯层。
[0027]进一步的，摩擦传感器芯层制备采用溶液铸膜法，制备流程简单。
[0028]综上所述，本专利技术制作简单且灵敏度高，能够实现动态摩擦力的感知，具有广阔的应用前景。
[0029]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0030]图1为本专利技术的一种结构示意图；
[0031]图2为本专利技术的另一种结构示意图；
[0032]图3为本专利技术压力传感器芯层的微阵列单元结构示意图，其中，(a)为表面具有微型棱锥结构的压力传感芯层，(b)为表面具有微型棱台结构的压力传感芯层；
[0033]图4为压力和摩擦传感器垂直分布的摩擦人工皮肤电极层结构示意图，其中，(a)为压力传感器电极层，(b)为摩擦力传感器电极层。
[0034]其中：1.密封层；2.压力传感器上电极层；3.压力传感器芯层；4.压力传感器下电极；5.连接层；6.摩擦传感器上电极层；7.摩擦传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，其特征在于，包括压力传感器芯层(3)和摩擦传感器芯层(7)，压力传感器芯层(3)的上侧和下侧分别设置电极层构成压力传感器，摩擦传感器芯层(7)的上侧和下侧分别设置电极层构成摩擦传感器，压力传感器和摩擦传感器分别连接对应的调理电路，多个压力传感器和摩擦传感器采用水平分布或垂直分布的方式封装在密封层(1)的下方形成离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，用于获取物体表面粗糙程度实现皮肤触觉感知。2.根据权利要求1所述的离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，其特征在于，压力传感器和摩擦传感器水平分布时，压力传感器和摩擦传感器的数量比为1：(1～7)。3.根据权利要求1所述的离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，其特征在于，多个压力传感器和摩擦传感器水平分布时，按方形或圆形结构阵列布置。4.根据权利要求1所述的离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，其特征在于，压力传感器和摩擦传感器垂直分布时，从上至下依次包括：密封层(1)、压力传感器上电极层(2)、压力传感器芯层(3)、压力传感器下电极层(4)、连接层(5)、摩擦传感器上电极层(6)、摩擦传感器芯层(7)和摩擦传感器下电极层(8)。5.根据权利要求1所述的离子聚合物摩擦感知型人工皮肤，其特征在于，压力传感器和摩擦传感器垂直分布时，按圆心、方形或三角形结构阵列布置。6.根据权利要求1所述的离...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱子才，解阳瑞，武文家，李一鸣，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：