[發明專利]一種精準定位受力、靈敏度可調的柔性觸覺傳感器

有效

• 申請號: 202011421329.7
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112577642B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 董林璽;吳宣邑;楊偉煌;劉超然
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

本發明公開了一種精準定位受力、靈敏度可調的柔性觸覺傳感器。本發明包括PDMS柔性襯底、石墨烯電極、PDMS微結構介電層。結構上分為上中下層，上層是PDMS與圖案化石墨烯電極混合層，中層是由澆筑于微結構硅模具中成型的PDMS微結構介電層，下層的結構、材料與上層相同，空間上是由上層翻轉后水平面旋轉90°。本發明主要采用PDMS材料和石墨烯材料構成，在襯底與電介質材料上統一選用PDMS材料可最大程度上保證傳感器的柔性彎曲與拉伸特性，可安裝在具有不同弧度的機械手上，又基于其可實現精準受力定位的特點，可安裝在鞋墊等通過受力區域捕捉、分析人體生理信號的位置。

技術領域

本發明涉及柔性觸覺傳感器領域，涉及一種精準定位受力、靈敏度可調的柔性觸覺傳感器；該傳感器以石墨烯作電極、柔性材料作襯底，對介電層凸臺排列創新從而達到高靈敏度且可排除監測區域外受力影響。

背景技術

當今社會信息技術日新月異。互聯網，云計算，大數據，人工智能等新技術充斥到社會各個角落。工業生產和日常生活中的智能機器人、家用電器、自動售貨機、手機、電腦以及各類傳媒載體紛紛開始了“觸覺革命”。觸覺是生物體表由于壓力與牽引力作用于感受器而引起的，它是生物體從外界環境獲得信息的重要手段之一。

觸覺信息的需求催生了傳感技術。柔性觸覺傳感器是一種將觸覺信號轉換電信號的電子器件，在可穿戴電子設備、健康監測、運動監測、軟體機器人、人機交互、以及人工智能等領域有著巨大的應用前景。科學家們已經證明微結構能有效提高柔性電容式觸覺傳感器的性能，例如微金字塔結構已經被用于制備超靈敏的柔性觸覺傳感器。然而這些微結構通常通過傳統的光刻技術、化學刻蝕方法，其制備過程復雜、耗時、價格昂貴。制備低成本、簡易、高性能的柔性觸覺傳感器成為當前的一大挑戰。

開發靈敏、靈活、透明的觸覺傳感器是下一代柔性顯示器和人機界面的研究熱點。盡管以前已經開發了一些材料和結構設計用于高性能觸覺傳感器，但實現靈活性、完全透明性和無串擾的高靈敏度多點識別仍然是此類系統面臨的重大挑戰。

與電阻式觸覺傳感機構相比，電容式觸覺傳感器具有溫度無關性、功耗低、長期信號漂移穩定性好、易于多點識別等優點。一般而言，電容式傳感器的結構由兩個平行電極組成，其間有一層介質層。高度可壓縮的介質材料是獲得高靈敏度所必需的，介質的楊氏模量越低，在壓力作用下傳感器的變形越大，導致電容的變化越大。因此，人們致力于使用低楊氏模量的彈性體作為介質材料，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯或Ecoflex。然而，這些低模量彈性體也傾向于具有高粘彈性，減緩它們的響應和松弛時間。為了克服這一限制，進一步提高靈敏度，一些觸覺傳感器采用通過有序地制造微結構表面來構造介質層。微結構介質層與普通介質層相比，在等壓力下允許更大的變形，從而導致更高的靈敏度和更快的響應/弛豫時間。然而，這種介質設計具有固有的缺點，例如復雜的制造、相鄰單元之間的串擾和透明度惡化。這些缺點可以通過在每個觸覺單元中的周圍間隔物之間用空氣間隙替換介質層來改善。現有電容式傳感器的另一個限制因素是，它們中的大多數仍然依賴不透明或脆性材料作為電極，從而阻礙了它們向真正靈活和透明的觸覺傳感器的應用。基板和電極調節整個電容式觸覺傳感器的靈活性和透明度，突出了仔細選擇電極材料的重要性。在觸覺傳感器電極的各種候選材料中，單層石墨烯在需要柔韌性和透明性時是一種很有前途的材料。由于石墨烯具有高斷裂應變(20%)和高透過率(≈97.5%)，到目前為止，許多基于石墨烯的觸覺傳感器都已被報道，但大多數都是利用石墨烯作為壓阻式或電阻式傳感元件。雖然以前的工作已經顯示出高性能，具有足夠的靈活性和透明度，但這些器件仍然存在傳統壓阻式和電阻式觸覺傳感器的局限性。因此，開發一種既能克服現有設備的局限性又能提供更好性能的觸覺傳感器是非常必要的。

發明內容

為了解決現有技術中所存在的問題， 本發明采用以下技術方案：