[發明專利]一種柔性觸覺傳感器陣列及其制備方法

在審

• 申請號: 202010437219.3
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111609955A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 蔡民;宋吉舟
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01L1/20
• 分類號: G01L1/20;G01L1/22
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 彭劍

本發明公開了一種柔性觸覺傳感器陣列及其制備方法，其中柔性觸覺傳感器陣列包括柔性基底和觸覺傳感陣列；觸覺傳感陣列包括N×M個觸覺傳感單元和互聯線網絡；觸覺傳感單元為一個被共形的聚合物包裹封裝的柵狀金屬箔，且每個柵狀金屬箔上集成了原位硬質微柱陣列；互聯線網絡包括垂直交叉的N條行線和M條列線，在交叉點行線與列線被交叉絕緣墊彼此絕緣，行線與列線均被共形的聚合物包裹封裝；柔性基底與觸覺傳感陣列鍵合為整體。本發明根據金屬箔的電阻受壓改變的機理，構造了原位硬質微柱擠壓柵狀金屬箔的結構，并以此為觸覺傳感單元結合互聯線網絡構造了新型觸覺傳感器陣列，具有高穩定性、高靈敏度、低遲滯、高集成度等優點。

技術領域

本發明涉及觸覺傳感器領域，具體涉及一種柔性觸覺傳感器陣列及其制備方法。

背景技術

隨著材料科學和制造技術的不斷進步，社會及工業界對各類電子設備的功能性、便攜性和舒適性等提出了新的要求，柔性化已成為新興電子器件的一個重要的發展方向。相比于傳統剛性電子器件，可彎曲可變形是柔性器件重要特征，它具有柔性、彈性和承受任意形變的能力，在醫療輔助、可穿戴健康監測和人機交互等領域展現出廣闊的應用前景。

柔性觸覺傳感器可以賦予機器手如人手般的觸覺，是實現機器人智能感知和人機交互的核心器件。該傳感器可將觸覺信號轉換為電信號,能實現觸覺信息的快速精確傳導。若將多個觸覺傳感器單元集成在一片柔性基底上，就可以形成一個N*M的柔性觸覺傳感器陣列。該陣列通過互聯線連接為一個整體，再通過外部電路控制可以同時測量一定區域內的多點的接觸壓力的變化，在醫學、工業以及娛樂等領域擁有巨大的應用潛力。柔性觸覺傳感器根據傳感工作機理主要可分為電阻式、電容式和壓電式。其中，電阻式觸覺傳感器的工作原理可概括為：外界接觸壓力刺激導致傳感器的電阻值改變，導致輸出的電流或電壓的改變，從而來反饋接觸壓力的大小。

電阻式柔性觸覺傳感器的技術核心是構造對壓力敏感的電阻值可變系統，目前的方法有：1)柔性壓敏導電材料作為傳感器敏感單元：柔性壓敏導電材料是將炭黑、碳納米管或石墨烯等粉末狀或顆粒狀的導電物質作為導電相與硅橡膠、水凝膠等摻雜固化，從而形成一種柔性可拉伸的壓敏導電復合材料。它在壓力的作用下改變內部導電顆粒的間距進而表現為電阻的改變；2)可變的接觸電阻作為敏感單元：將具有表面微結構的上下電極材料接觸導通可產生接觸電阻，在不同的壓力作用下會產生不同的接觸狀態從而具有不同的接觸電阻，進而能夠改變輸出電信號。

現有的采用柔性壓敏導電材料作為傳感器敏感單元的電阻式柔性觸覺傳感器雖可實現分布壓力測量，但是其在靈敏度、遲滯性以及集成度等方面存在明顯不足；采用可變接觸電阻作為敏感單元的電阻式柔性觸覺傳感器在量程和集成度上存在瓶頸。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種高穩定性、高靈敏度、低遲滯、高集成度的新型電阻式柔性觸覺傳感器陣列及其制備方法。

一種柔性觸覺傳感器陣列，包括柔性基底和觸覺傳感陣列，所述觸覺傳感陣列包括N×M個觸覺傳感單元以及連接每個觸覺傳感單元的互聯線網絡；

所述的觸覺傳感單元為一個被共形的聚合物包裹封裝的柵狀金屬箔，所述的柵狀金屬箔上集成了硬質微柱陣列；

所述互聯線網絡包括垂直交叉的N條行線和M條列線，在行線和列線的交叉點設有交叉絕緣墊，所述的行線與列線均被共形的聚合物包裹封裝；所述的觸覺傳感陣列鍵合在柔性基底上。

本發明中，柔性基底為一塊具有柔彈性的硅橡膠一類的薄層基底，N條行線和M條列線垂直交叉組成互聯線網絡，但在交叉點做絕緣處理使得行線列線不接觸不連通。觸覺傳感單元置于交叉點附近，其一端連接行線，另一端連接列線。N×M個觸覺傳感單元通過共用的行線、列線網絡構成互聯的觸覺傳感陣列。