[發(fā)明專利]柔性透氣的觸覺傳感器及使用觸覺傳感器的感測方法

在審

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• 申請日: 2019-11-13
• 公開（公告）號: CN112798154A
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 潘曹峰;袁祖慶
• 申請（專利權(quán)）人: 北京納米能源與系統(tǒng)研究所
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16
• 代理公司: 北京潤平知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11283
• 代理人: 肖冰濱;王曉曉

本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，公開了一種柔性透氣的觸覺傳感器及使用傳感器的感測方法。本發(fā)明基于摩擦起電效應(yīng)，利用器件與外界物體摩擦產(chǎn)生的靜電荷，對電路中的電極感應(yīng)出強靜電勢。當兩種處于不同電勢下的電極連接到外電路時，有明顯的電流產(chǎn)生。該觸覺傳感器包括：柔性透氣性薄膜材料，具有一定的柔性和拉伸性，可以輕柔的附著在皮膚上；負性摩擦材料，能夠在觸覺接觸時與對外接觸的物體摩擦起電；柔性電極材料，具有一定的電阻率和彈性性能；電路與監(jiān)測裝置，用于接受所檢測到的電信號并通過信號反饋目標的相關(guān)信息。本發(fā)明所述的觸覺傳感器及感測方法，基于自然界中普遍存在的摩擦起電現(xiàn)象，在產(chǎn)生傳感信號時無需外接電源供電。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種柔性透氣的自驅(qū)動傳感器設(shè)計， 以及使用觸覺傳感器的感測方法。

背景技術(shù)

隨著社會的發(fā)展，觸覺傳感器已經(jīng)在醫(yī)療、工業(yè)、軍事、通訊、航空航天 等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用和迫切的需求，但是絕大多數(shù)的電子器件與外界環(huán)境缺 乏一種直接有效的交互作用機制。現(xiàn)有的觸覺傳感器中，包括壓阻式、光電式 和電容式等，這些傳感器需要外接電源提供工作時需要的電能，在一定程度上 制約了這些傳感器的發(fā)展與應(yīng)用。尤其傳統(tǒng)的固態(tài)器件難以適應(yīng)柔軟和透氣的 情形，在可穿戴設(shè)備和健康檢測領(lǐng)域遇到了難以突破的瓶頸。因此，需要開發(fā) 一種人體舒適和能適應(yīng)復(fù)雜使用環(huán)境的觸覺傳感器。而本發(fā)明觸覺傳感器本身 作為具有摩擦特性，能夠與外部材料摩擦起電產(chǎn)生靜電勢，自身能夠驅(qū)動電學(xué) 信號的產(chǎn)生，還可以輕柔地附著在皮膚上以進行運動能量收集和自供電生物力 學(xué)監(jiān)測。該觸覺傳感器結(jié)構(gòu)簡單、透氣，在醫(yī)療健康、人機交互、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng) 域內(nèi)有廣闊的應(yīng)用空間。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種透明透氣的觸覺傳感器及使用觸覺傳感器的感測 方法，該傳感器集成了透氣、柔性、可拉伸、輕巧和易于加工制備等優(yōu)點。其 包括：柔性透氣基底，比如熱塑性聚氨酯等彈性材料，作為承載傳感器的基底， 能夠承受一定程度的彎折和拉伸形變；柔性可拉伸電極，比如碳納米管等導(dǎo)電 材料，可以同時作為感應(yīng)電極和傳導(dǎo)電路；摩擦層，比如聚偏二氟乙烯等，可 以與外界接觸摩擦起電；檢測與信號處理裝置，用于接受所檢測到的電信號并 通過信號反饋目標的相關(guān)信息。

本發(fā)明還提供一種可拉伸觸覺傳感器的制作方法，其中，該方法包括：以靜 電紡絲等方式制作的透氣性纖維薄膜，絲網(wǎng)印刷制作的大面積導(dǎo)電電極和多層 膜復(fù)合壓縮封裝的制作工藝。

本發(fā)明還提供一種可拉伸觸覺傳感器的感測方法，其中，該方法包括：在拉 伸條件下監(jiān)測傳感器接觸信號，傳感器感知接觸物體的形變程度和在破損情況 下傳感器的工作方式。

通過上述技術(shù)方案，所述觸覺傳感器的摩擦層與外界摩擦的過程中產(chǎn)生靜 電荷。通過靜電感應(yīng)效應(yīng)，摩擦起電的電荷在柔性電極中感應(yīng)出靜電勢和在外 電路中產(chǎn)生轉(zhuǎn)移電流。同時，由于彈性層的存在，傳感器具有出色的拉伸性能， 以實現(xiàn)在不同變形條件下的應(yīng)用。即使彈性形變導(dǎo)致外接物體與摩擦層的接觸 位置發(fā)生了變化，也不影響本身的觸覺信號，保持了傳感器對外部壓力的靈敏 度，具有對壓力快速靈敏反應(yīng)的能力。并且在切割或扭曲后，傳感器的輸出特 性幾乎不會受到影響，這表明該器件具有優(yōu)異的柔性和彈性。本發(fā)明使用的柔 性透氣薄膜膜與皮膚接觸更舒適，可以作為可穿戴電子產(chǎn)品的材料之一。本發(fā) 明所述的觸覺傳感器及感測方法，實現(xiàn)了自驅(qū)動工作，具有制備工藝簡單、性 能優(yōu)異、靈敏度高的優(yōu)點，在主動式傳感網(wǎng)絡(luò)、人機交互技術(shù)和柔性電子學(xué)等 領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面 的具體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的觸覺傳感器的運作原理示意圖；