一种双模柔性触觉传感器及其制备方法和应用技术

本公开属于传感器技术领域，具体涉及一种双模柔性触觉传感器及其制备方法和应用，所述双模柔性触觉传感器由气流传感器和压力传感器集成一体；所述气流传感器的传感层与压力传感器的顶部电极层连接；所述压力传感器的顶部电极层依次与双面分级微锥结构的离子凝胶传感层、压力传感器的底部电极层连接。该双模柔性触觉传感器能够同时、无干扰的检测电阻和电容两种信号，并且，检测灵敏度较高。将压力传感器与气流传感器有机的结合，能够同时实现对呼吸状态和脉搏情况的实时监测并且互相没有干扰。扰。扰。

【技术实现步骤摘要】
一种双模柔性触觉传感器及其制备方法和应用


[0001]本公开属于传感器
，具体涉及一种双模柔性触觉传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]人类皮肤作为身体和外界环境之间最重要的物理界面，拥有着独特的多重触觉传感系统，其能够将外部刺激包括压力、湿度、温度等以离子交换的形式产生电信号，从而完成大脑的感知。因此，受人类皮肤信号传感机制的启发，发展了能够将外部刺激转换为电阻、电容、电压、电流信号的柔性触觉传感器，并模拟人类皮肤对于压力、温度、湿度、气流的感知。然而，目前存在的柔性触觉传感器大都只能实现一种刺激信号的检测，这对于健康检测、人工智能、柔性机器人和智能假肢等前沿领域十分受限。
[0004]柔性触觉传感器作为柔性电子器件的核心成员，它需要提供高灵敏度，快速响应速率，低检测极限和稳定性等优势来保证其在工作状态下的准确性和可靠性。而目前提升柔性触觉传感器性能的方法主要是通过在传感器的活性层(传感层和电极层)以微纳加工的方式引入微纳结构，如微柱，微金字塔，微圆顶和纳米线等。这种微纳结构活性层在施加微小刺激时容易发生化学或物理变化，从而导致电信号的输出改变。对于微纳结构的制备方法，目前主要以传统光刻工艺最为普遍。虽然其拥有精准调控微纳结构尺寸和形貌的优势，但不可避免地存在一些缺陷，如，(1)掩模版成本过高，不利于大面积制备微纳结构；(2)复杂且耗时；(3)光刻模板非一次性模板，因此在进行图案的复制和剥离时不可避免的会有部分聚合物粘连在光刻模板上，对模板的下一次使用和微纳结构的完整性造成很大影响。为了降低成本，一些科研人员将玫瑰花瓣、芦苇叶、筛网和砂纸等自然生物材料作为模板用微纳结构的加工。然而，其不规则性和固有形态的微纳结构限制了其在性能上的进一步强化。
[0005]为了进一步提升触觉传感器的性能，以柔性压力传感器为例，还可以通过对传感器的器件结构进行合理的设计，如将传统“三明治”器件结构转变为叉指电极结构；将两个单层微纳结构活性层进行层叠等。虽然上述方法均能在一定程度上提升传感器的性能，但为了满足更为广泛的应用需求，这是远远不够的。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题,本公开提供了一种双模柔性触觉传感器及其制备方法和应用，该双模柔性触觉传感器能够同时、无干扰的检测电阻和电容两种信号，并且，检测灵敏度较高。将压力传感器与气流传感器有机的结合，能够同时实现对呼吸状态和脉搏情况的实时监测并且互相没有干扰。
[0007]具体地，本公开的技术方案如下所述：
[0008]在本公开的第一方面，一种双模柔性触觉传感器，所述双模柔性触觉传感器由气流传感器和压力传感器集成一体；所述气流传感器的传感层与压力传感器的顶部电极层连接；所述压力传感器的顶部电极层依次与双面分级微锥结构的离子凝胶传感层、压力传感器的底部电极层连接。
[0009]在本公开的第二方面，一种双模柔性触觉传感器的制备方法，所述制备方法包括:
[0010]步骤(1)：将PDMS溶液涂覆在分级微锥结构Cu模板上，固化、剥离后获得纤毛阵列结构的PDMS二次模板；将P(VDF
‑
HFP)/[EMIM][TFSI]离子凝胶溶液涂在第一个PDMS二次模板上，再将第二个PDMS二次模板与第一个PDMS二次模板的开口界面处对称放置，得到双面分级微锥结构P(VDF
‑
HFP)/[EMIM][TFSI]离子凝胶；
[0011]步骤(2)：将P(VDF
‑
HFP)/[EMIM][TFSI]离子凝胶涂覆在Cu模板上，剥离后获得的分级反微锥结构离子凝胶二次模板；将PDMS溶液涂覆在顶部Cu模板上，获得纤毛阵列结构，同时，将所述离子凝胶二次模板作为底部模板置于PDMS溶液上，获得分级微锥结构，固化后剥离，对纤毛阵列结构喷涂碳纳米管，对分级微锥结构喷金，获得双面异质结构的CNTs/PDMS/Au；
[0012]步骤(3)：将PDMS溶液涂覆在分级反微锥结构离子凝胶二次模板上，固化后得到单面分级微锥结构PDMS，对单面分级微锥结构PDMS喷金，获得单面分级微锥结构的Au/PDMS；
[0013]步骤(4)：将双面异质结构的CNTs/PDMS/Au，双面分级微锥结构P(VDF
‑
HFP)/[EMIM][TFSI]离子凝胶和单面分级微锥结构的Au/PDMS组成双模柔性触觉传感器。
[0014]在本公开的第三方面，所述的双模柔性触觉传感器和/或所述的双模柔性触觉传感器的制备方法在可穿戴医疗保健系统中的应用。
[0015]本公开中的一个或多个技术方案具有如下有益效果：
[0016](1)、本公开所述的双模柔性触觉传感器由柔性气流传感器和压力传感器集成一体的器件，能够同时、无干扰的检测电阻和电容两种信号，利于一种模板复制两种不同结构，进一步实现两种不同的传感器，有效降低了成本并减少了工艺步骤。
[0017](2)、基于激光打标模板法的微纳加工技术用于分级微锥结构的制备，激光打标制备模板的工艺，相比于传统方法，具有简单、经济、易操作、控制形貌且可以大面积制备，这是由于该工艺只需要预先规划好激光的路径，在成本低廉的Cu板上即可完成。
[0018](3)、基于双互锁结构的超级电容式压力传感器以及碳纳米管/纤毛阵列分级结构的电阻式气流传感器，基于双互锁结构的超级电容式压力传感器，相比于传统结构而言，该结构对于应力的集中更为强大，并且增大了比表面积，这进一步提高了单位面积的电容，从而改善了器件的灵敏度，该灵敏度在电容式压力传感器中是史无前例的。而相比于传统的电容式压力传感器，在外界刺激下，超级电容式触觉传感器会在传感层和电极层接触区域形成电双层，极大的增强了传感器的电容效应，从而导致其灵敏度远远高于传统压容式触觉传感器。这种现象是由于传感层含有许多阴离子与阳离子，当传感层与电极层受力接触时，电极上的电子吸引传感层的反极性离子迁移到接触表面，从而形成电双层，使其拥有超大的界面电容。
[0019](4)、将压力传感器与气流传感器有机的结合，能够同时实现对呼吸状态和脉搏情况的实时监测并且互相没有干扰，这对于可穿戴医疗保健系统的发展具有推动作用。
附图说明
[0020]构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0021]图1：为实施例1所述的双模柔性触觉传感器的制备方法流程图；
[0022]图2：是实施例1所述的基于双互锁结构的双模柔性触觉传感器示意图；
[0023]图3：是对比例1基于全平面结构的柔性压力传感器示意图；
[0024]图4：是对比例2基于传感层分级微锥结构的柔性压力传感器示意图；
[0025]图5：是对比例3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双模柔性触觉传感器，其特征是，所述双模柔性触觉传感器由气流传感器和压力传感器集成一体；所述气流传感器的传感层与压力传感器的顶部电极层连接；所述压力传感器的顶部电极层依次与双面分级微锥结构的离子凝胶传感层、压力传感器的底部电极层连接。2.如权利要求1所述的一种双模柔性触觉传感器，其特征是，压力传感器的顶部电极层、双面分级微锥结构的离子凝胶传感层和压力传感器的底部电极层为双互锁结构。3.如权利要求1所述的一种双模柔性触觉传感器，其特征是，所述气流传感器的传感层为负载有碳纳米管的PDMS纤毛阵列结构。4.如权利要求1所述的一种双模柔性触觉传感器，其特征是，所述压力传感器的顶部电极层和压力传感器的底部电极层为负载有金纳米粒子的分级微锥结构。5.如权利要求1所述的一种双模柔性触觉传感器，其特征是，所述双面分级微锥结构的离子凝胶传感层为基于P(VDF
‑
HFP)/[EMIM][TFSI]的双面分级微锥结构。6.一种双模柔性触觉传感器的制备方法，其特征是，所述制备方法包括:步骤(1)：将PDMS溶液涂覆在分级微锥结构Cu模板上，固化、剥离后获得纤毛阵列结构的PDMS二次模板；将P(VDF
‑
HFP)/[EMIM][TFSI]离子凝胶溶液涂在第一个PDMS二次模板上，再将第二个PDMS二次模板与第一个PDMS二次模板的开口界面处对称放置，得到双面分级微锥结构P(VDF
‑
HFP)/[EMIM][TFSI]离子凝胶；步骤(2)：将P(VDF
‑
HFP)/[EMIM][TFSI]离子凝胶涂覆在Cu模板上，剥离后获得的分级反微锥结构离子凝胶二次模板；将PDMS溶液涂覆在顶部Cu模板上，获得纤毛阵列结构，同时，将所述离子凝胶二次模板作为底部模板置于PDMS溶液上，获得分级微锥结构，固化后剥离，对纤毛阵列结构喷涂碳纳米管，对分级微锥结构喷金，获得双面异质结构的CNTs/PDMS/Au；步骤(3)：将PDMS溶液涂覆在分级反微锥结构离子凝胶二次模板上，固化后得到单面分级微锥结构PDMS，对单面分级微锥...

【专利技术属性】
技术研发人员：李阳，李浩，牛闳森，岳文静，高嵩，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：