一种压力-温度可辨识的高灵敏度离子双模态传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种压力

【技术实现步骤摘要】
一种压力
‑
温度可辨识的高灵敏度离子双模态传感器


[0001]本专利技术涉及一种柔性电子皮肤领域的多模态解耦感知传感器，具体涉及一种压力
‑
温度可辨识的高灵敏度离子双模态传感器
。

技术介绍

[0002]柔性电子皮肤在检测物理刺激方面起着重要的作用，类似于含有感觉受体的人类皮肤，可被用于可穿戴设备，人机交互界面，智能假肢皮肤，机器人皮肤等领域
。
[0003]离子凝胶，作为一种新兴的柔性电子皮肤的功能性材料，是由离子液和高分子聚合物基底构成的一种固体聚合物电解质
。
聚合物基底的分子链被组织起来形成捕获离子液的网状结构，将带正负离子的离子液体包裹在基底内部，保证正负离子在聚合物基底内部自由移动的同时避免离子液的泄漏
。
离子凝胶具有电双层效应，即在离子凝胶与电极的交界面，离子凝胶侧积累与电极侧电荷性质相反的带电离子，从而在交界处形成电容器
。
由于离子凝胶与电极的间距为微纳米级尺度，故所形成的电容器的单位面积电容值较传统电容器的单位面积电容值具有显著提高
。
基于离子凝胶的电双层效应，离子凝胶，作为电容器介质层，被引入电容式压力传感器，与上下电极一同构成离子电容式压力传感器
。
为进一步增强离子电容式压力传感器的压力检测灵敏度和压力检测范围，表面微结构化技术被应用于离子凝胶
。
通过采用人工设计的模具
(
例如微金字塔模具，微圆柱模具，微半球形模具
)
或者采用自然界的叶子或玫瑰花瓣作为模具，具有微结构的离子凝胶薄膜被制备
。
另一方面，离子凝胶对温度敏感：温度的升高促进离子凝胶内部正负离子对的分离以及加快离子凝胶内部正负离子的移动速度，从而提升离子凝胶的导电率和介电常数
。
因此，离子凝胶凭借其温敏特性被应用于温度传感器，构成离子温度传感器
。
离子温度传感器具有温度检测范围广
、
温度检测精度高等优点
。
离子凝胶，具备电双层效应和温阻特性，可被应用于制备检测压力
‑
温度的多模态传感器
。
[0004]对多模态传感器的研究，一般集中于将多个单模态传感器通过层叠的方式集中为一个多感知传感器
。
这种多模态感知策略，具备对多个外部刺激进行感知的能力，但是结构的复杂性
、
工艺的要求
、
材料的限制，阻碍其大规模的生产应用
。
另一种多模态感知策略是通过建立响应信号与待检测变量的数学模型，从数据分析的角度，实现对多个模态的感知
。
这种方式提供了一个新颖的多模态感知思路，但当响应信号与待检测变量之间的关系是非线性的，求解待检测变量会有复杂的计算过程
。
[0005]而利用离子凝胶本身的电双层效应与温敏特性的双模态传感器的相关研究，或侧重于实现传感器对压力
‑
温度的双感知，或侧重于消除温度对压力检测结果的干扰以提高压力检测精度，但未以压力
‑
温度解耦方法作为离子凝胶双模态研究核心以实现同时精确检测压力与温度
。
除此之外，目前的离子凝胶双模态传感器存在结构复杂
、
材料冗杂的问题，利用多层离子凝胶，但仅能实现有限压力范围内的低灵敏度检测，不适用于要求“宽检测宽带
、
高检测灵敏度”的应用场景，例如机器人皮肤，人机交互界面等
。
[0006]因此，利用离子凝胶本身的电双层效应与温敏特性，提出一种结构简单且解耦方
法清晰有效的压力
‑
温度可辨识的高灵敏度
、
高检测宽带的离子凝胶双模态传感器，将进一步推进离子凝胶双模态柔性电子皮肤在相关领域的应用，提高离子型双模态传感器大规模制造的潜力
。

技术实现思路

[0007]为了实现高精度的压力
‑
温度双模态感知，本专利技术提出了一种压力
‑
温度可辨识的高灵敏度离子双模态传感器，可被用于机器人皮肤，人机交互界面，智能假肢皮肤等领域
。
[0008]本专利技术解决上述问题所采用的技术方案为：
[0009]高灵敏度离子双模态传感器由上电极层
、
离子凝胶薄膜层和下电极层从上至下依次层叠组成，上电极层未受外部压力时，上电极层和离子凝胶薄膜层之间未产生接触压力
。
[0010]所述上电极层包括上聚酰亚胺薄膜和上圆形铜箔电极，上圆形铜箔电极设置在聚酰亚胺薄膜的下表面，铜线从上圆形铜箔电极中引出作为连接测试设备的引线；
[0011]所述下电极层包括下聚酰亚胺薄膜
、
下圆形铜箔电极和下圆环铜箔电极，下圆形铜箔电极位于上圆形铜箔电极的正下方，下圆环铜箔电极设置在下圆形铜箔电极外，下圆形铜箔电极和下圆环铜箔电极同心布置且均铺设于聚酰亚胺薄膜的上表面，下圆形铜箔电极和下圆环铜箔电极之间形成环形间隙，两根细铜线分别从下圆形铜箔电极和下圆环铜箔电极中引出作为连接测试设备的两根引线
。
[0012]所述上圆形铜箔电极
、
离子凝胶薄膜层和下圆形铜箔电极构成平行板式电容传感器，其中上圆形铜箔电极与下圆形铜箔电极分别作为平行板式电容传感器的上电极与下电极，离子凝胶薄膜层作为平行板式电容传感器的介质层
。
[0013]所述下圆形铜箔电极
、
离子凝胶薄膜层和下圆环铜箔电极构成电阻式传感器，下圆形铜箔电极与下圆环铜箔电极之间相互绝缘且分别作为电阻式传感器的两端电极；离子凝胶薄膜层作为导体，用于连接下圆形铜箔电极与下圆环铜箔电极
。
[0014]所述上圆形铜箔电极的直径小于下圆环铜箔电极的内径
。
[0015]所述上圆形铜箔电极的直径小于等于下圆形铜箔电极的直径
。
[0016]所述离子凝胶薄膜层为单层结构的离子凝胶层，其上表面设置有分层可压缩微结构，分层可压缩微结构由随机排布的细长凸起和短粗凸起组成；离子凝胶薄膜层的下表面光滑，并且离子凝胶薄膜层的下表面与下电极层的上表面之间通过材料的范德华力实现粘连
。
[0017]所述离子凝胶薄膜层和下电极层的上表面之间利用两层材料的范德华力实现粘连；所述上电极层
、
离子凝胶薄膜层和下电极层之间通过聚酰亚胺胶带进行连接
。
[0018]所述高灵敏度离子双模态传感器的制备方法如下：
[0019]步骤一：将离子凝胶溶液滴涂在硅胶模具表面，加热挥发溶液，使得离子凝胶呈现出半固化状态；
[0020]步骤二：将下电极层附着于半固化离子凝胶表面，继续加热离子凝胶；当离子凝胶完全固化成离子凝胶薄膜时，离子凝胶薄膜与下电极层由于材料间的范德华力而紧紧粘连一起；
[0021]步骤三：将下电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种压力
‑
温度可辨识的高灵敏度离子双模态传感器，其特征在于，高灵敏度离子双模态传感器由上电极层
(1)、
离子凝胶薄膜层
(2)
和下电极层
(3)
从上至下依次层叠组成，上电极层
(1)
未受外部压力时，上电极层
(1)
和离子凝胶薄膜层
(2)
之间未产生接触压力
。2.
根据权利要求1所述的一种压力
‑
温度可辨识的高灵敏度离子双模态传感器，其特征在于，所述上电极层
(1)
包括上聚酰亚胺薄膜
(4)
和上圆形铜箔电极
(5)
，上圆形铜箔电极
(5)
设置在聚酰亚胺薄膜
(4)
的下表面，铜线从上圆形铜箔电极
(5)
中引出作为连接测试设备的引线；所述下电极层
(3)
包括下聚酰亚胺薄膜
(6)、
下圆形铜箔电极
(7)
和下圆环铜箔电极
(8)
，下圆形铜箔电极
(7)
位于上圆形铜箔电极
(5)
的正下方，下圆环铜箔电极
(8)
设置在下圆形铜箔电极
(7)
外，下圆形铜箔电极
(7)
和下圆环铜箔电极
(8)
同心布置且均铺设于聚酰亚胺薄膜的上表面，下圆形铜箔电极
(7)
和下圆环铜箔电极
(8)
之间形成环形间隙，两根细铜线分别从下圆形铜箔电极
(7)
和下圆环铜箔电极
(8)
中引出作为连接测试设备的两根引线
。3.
根据权利要求2所述的一种压力
‑
温度可辨识的高灵敏度离子双模态传感器，其特征在于，所述上圆形铜箔电极
(5)、
离子凝胶薄膜层
(2)
和下圆形铜箔电极
(7)
构成平行板式电容传感器，其中上圆形铜箔电极
(5)
与下圆形铜箔电极
(7)
分别作为平行板式电容传感器的上电极与下电极，离子凝胶薄膜层
(2)
作为平行板式电容传感器的介质层
。4.
根据权利要求2所述的一种压力
‑
温度可辨识的高灵敏度离子双模态传感器，其特征在于，所述下圆形铜箔电极
(7)、
离子凝胶薄膜层
(2)
和下圆环铜箔电极
(8)
构成电阻式传感器，下圆形铜箔电极
(7)
与下圆环铜箔电极
(8)
之间相互绝缘且分别作为电阻式传感器的两端电极；离子凝胶薄膜层
(2)
作为导体，用于连接下圆形铜箔电极
(7)
与下圆环铜箔电极
(8)。5.

【专利技术属性】
技术研发人员：杨赓，杨倩倩，叶知秋，杨华勇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：