一种柔性多维力传感器、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种柔性多维力传感器、制备方法及其应用。柔性多维力传感器包括自上而下设置的封装层、屏蔽层、曲面结构层、摩擦层、电极层和基底层；所述曲面结构层包括设置在中央的柔性曲面结构部、围绕该柔性曲面结构部设置的柔性支撑部和涂覆于柔性曲面结构部凸起表面上的感应电极；所述柔性支撑部与摩擦层连接，该柔性支撑部的高度满足使得所述柔性曲面结构部的凸起最大处与所述摩擦层相切；所述柔性支撑部、柔性曲面结构部与摩擦层之间围成空腔；所述电极层包括至少2个间隔设置的扇形电极，该些至少2个扇形电极构成的图形与所述柔性曲面结构部的投影大小相同。本申请通过对各个扇形电极输出电信号的分析，可对多维力进行解耦与传感。解耦与传感。解耦与传感。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性多维力传感器、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于柔性电子领域，更具体地，涉及一种柔性多维力传感器、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着科技与社会的不断发展，机器人的应用领域得到极大的扩展，包括科研、工业自动化、医疗、信息安全、家庭服务等。机器人传感系统是实现机器人与外界进行信息交换的主要窗口，强大的传感系统将帮助机器人更好地实现环境感知与人机交互。机器人电子皮肤作为一种重要的机器人传感手段，在机器人传感系统中占有非常大的比例。总体来说，电子皮肤是一种利用传感技术、微机电技术和新材料技术，能够模仿生物皮肤感知、调节、保护等功能的电子装置或系统，它本质上是一个或多个传感器，通过电子系统重塑人体皮肤的属性。
[0003]传统的机器人电子皮肤通常需要额外的电源供应，这就造就了相应的成本与空间问题。近年来随着自驱动传感技术的发展，例如压电、摩擦发电等技术越来越多地在机器人电子皮肤上得到应用，这类电子皮肤无需额外能源供应，在传感过程中就能够产生能源，提供足够的工作能量。
[0004]目前受限于电子皮肤的传感原理，机器人力学电子皮肤的研究多集中于单一方向作用力的传感，而对于日常生活中常见的多维力缺乏传感能力。
[0005]另外，近10年来，随着支撑技术的不断发展，机器人电子皮肤的柔性、可拉伸性、压力灵敏度、规模尺寸和空间分辨率等性能取得了快速发展和突破。但是柔性电子技术是硬质电子技术的继承与发展，因此也大量采用了传统的半导体工艺，但是一些柔性材料对传统工艺的适应性并不好，所以改进柔性材料的制造工艺十分必要，以实现在很大程度上提升传感器的灵敏度与制造成功率。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种柔性多维力传感器、制备方法及其应用，其目的在于通过结构的改进，利用摩擦发电的传感原理实现机器人电子皮肤传感器传感三维力的功能。同时通过合理的材料选择与工艺设计，使柔性三维力传感器具备良好的可拉伸与传感灵敏度。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种柔性多维力传感器，包括自上而下设置的封装层、屏蔽层、曲面结构层、摩擦层、电极层和基底层；
[0008]所述曲面结构层包括设置在中央的柔性曲面结构部、围绕该柔性曲面结构部设置的柔性支撑部和涂覆于柔性曲面结构部凸起表面上的感应电极；所述柔性支撑部与摩擦层连接，该柔性支撑部的高度满足使得所述柔性曲面结构部的凸起最大处与所述摩擦层相切；所述柔性支撑部、柔性曲面结构部与摩擦层之间围成空腔；
[0009]所述电极层包括至少2个间隔设置的扇形电极，该些至少2个扇形电极构成的图形
与所述柔性曲面结构部的投影大小相同。
[0010]优选地，所述柔性曲面结构部为以垂直于球体直径的方向截取的部分球体，该截取的部分球体不超过整个球体的一半。
[0011]优选地，所述整个球体的半径为10.6
‑
50.7毫米。
[0012]优选地，所述至少2个扇形电极为至少2个全等对称设置的扇形电极。
[0013]优选地，所述柔性多维力传感器的厚度为1200微米
‑
2000微米。
[0014]优选地，所述柔性曲面结构部、所述柔性支撑部、所述摩擦层、所述封装层、所述基底层的材料为PDMS、Eco
‑
flex、TPU、POE、EVA或EPDM。
[0015]优选地，所述摩擦层的表面粗糙结构由P600
‑
P1500的砂纸倒模得到。
[0016]优选地，所述电极层和所述感应电极的材料为银纳米线、铜、金或导电水凝胶。
[0017]按照本专利技术的另一方面，提供了一种柔性多维力传感器的制备方法，所述方法包括：
[0018]采用倒模技术得到曲面结构层中的柔性曲面结构部和柔性支撑部，在柔性曲面结构部和柔性支撑部上喷涂屏蔽层，待屏蔽层固化后，在屏蔽层表面旋涂封装层；采用掩膜技术在柔性曲面结构部的凸起表面溅射感应电极；在一基板上旋涂摩擦层并固化，采用掩膜技术在摩擦层上喷涂或溅射电极层，在电极层上旋涂基底层后，将摩擦层、电极层和基底层从基板上剥离；将所述柔性支撑部与摩擦层表面进行粘接，得到所述传感器。
[0019]优选地，所述在一基板上旋涂摩擦层并固化具体包括：在基板上贴附砂纸后，再在该砂纸上旋涂摩擦层并固化；所述采用倒模技术得到曲面结构层中的柔性曲面结构部和柔性支撑部具体包括，采用柔性曲面结构部的粗糙度为Ra1.6
‑
6.4的模具，采用倒模技术得到曲面结构层中的柔性曲面结构部和柔性支撑部。
[0020]优选地，所述模具为硬质耐热材料。
[0021]优选地，所述摩擦层、电极层和基底层的制备还可以为在基板上贴附掩模版，通过喷涂或溅射工艺制备图案化的电极层。在电极层表面旋涂基底层，将基底层从基板上揭下，电极层此时会从基板上转移到基底层中。再将基底层顶面贴附于另一片基板上，在其裸露电极的那一面旋涂摩擦层材料，并使其固化，然后将摩擦层、电极层和基底层从基板上剥离；将所述柔性支撑部与摩擦层表面进行粘接，得到所述传感器。此时电极材料优选银纳米线。
[0022]按照本专利技术的再一方面，提供了一种柔性多维力传感器的应用，用于机器人电子皮肤领域。
[0023]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
[0024](1)本专利技术中利用曲面结构层中的柔性支撑部与摩擦层连接，构成一个可形变空间，设置在该可形变空间中的柔性曲面结构部在没有受到外力作用时，柔性曲面结构部的凸起最大处与摩擦层相切。在受到垂直于摩擦层的外力时，柔性支撑部和柔性曲面结构部会被压缩，在受到分力平行于摩擦层的外力时，柔性曲面结构部会产生平移，柔性支撑部会产生形变。
[0025]具体地，参见图4中(i)
‑
(iv)，当传感器表面受到多维力作用时，其垂直于摩擦层的压力分量使得柔性曲面结构部与摩擦层表面产生接触。由于涂覆于柔性曲面结构部凸起
表面上的感应电极与摩擦层材料得失电子能力的不同，它们在接触时会交换等量异号的电荷。垂直于摩擦层的压力分量使得柔性曲面结构部与摩擦层的接触面积发生改变，根据赫兹接触理论，当施加的压力越大，接触面积越大，两个电极上感应出的整体电荷越多，各个电极就会输出更大的电信号。因此垂直于摩擦层的压力分量越大，不同电极输出的同一性更好。
[0026]而平行于摩擦层的剪切力分量，使得柔性曲面结构部会相对于摩擦层产生平移，柔性支撑部会产生形变。因此，其柔性曲面结构部与至少两个扇形电极的接触位置发生改变，不同电极根据接触位置的差异感应出不同大小的电荷，输出不同的电信号。因此剪切力分量越大，不同电极之间的输出电压差异性更大。
[0027]通过对各个扇形电极输出电信号的分析，对不同扇形电极的输出判定生成经验曲线可对多维力进行解耦与传感。
[0028](2)传感器整体具有良好的柔性与拉伸性，使得传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性多维力传感器，其特征在于，包括自上而下设置的封装层(1)、屏蔽层(2)、曲面结构层(3)、摩擦层(4)、电极层(5)和基底层(6)；所述曲面结构层(3)包括设置在中央的柔性曲面结构部(101)、围绕该柔性曲面结构部(101)设置的柔性支撑部(102)和涂覆于柔性曲面结构部(101)凸起表面上的感应电极(103)；所述柔性支撑部(102)与摩擦层(4)连接，该柔性支撑部(102)的高度满足使得所述柔性曲面结构部(101)的凸起最大处与所述摩擦层(4)相切；所述柔性支撑部(102)、柔性曲面结构部(101)与摩擦层(4)之间围成空腔(7)；所述电极层(5)包括至少2个间隔设置的扇形电极，该些至少2个扇形电极构成的图形与所述柔性曲面结构部(101)的投影大小相同。2.如权利要求1所述的柔性多维力传感器，其特征在于，所述柔性曲面结构部(101)为以垂直于球体直径的方向截取的部分球体，该截取的部分球体不超过整个球体的一半。3.如权利要求2所述的柔性多维力传感器，其特征在于，所述整个球体的半径为10.6
‑
50.7毫米。4.如权利要求1所述的柔性多维力传感器，其特征在于，所述至少2个扇形电极为至少2个全等对称设置的扇形电极。5.如权利要求1所述的柔性多维力传感器，其特征在于，所述柔性多维力传感器的厚度为1200微米
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2000微米。6.如权利要求1所述的柔性多维力传感器，其特征在于，所述柔性曲面结构部(101)、所述柔性支撑...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴豪，王振义，李洋洋，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：