[發(fā)明專利]一種壓電壓阻復(fù)合仿人型觸覺手指及其制備方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 202011462012.8 | 申請日： | 2020-12-11 |
| 公開（公告）號： | CN112338948B | 公開（公告）日： | 2021-11-02 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 俞平;周平;張慧霞;陳鳳楠;龍江啟 | 申請（專利權(quán)）人： | 溫州大學(xué) |
| 主分類號： | B25J15/00 | 分類號： | B25J15/00;B25J13/08;B29C69/00;G01L1/22 |
| 代理公司： | 溫州名創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33258 | 代理人： | 陳加利 |
| 地址： | 325000 浙江省溫州市甌海*** | 國省代碼： | 浙江;33 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 壓電 復(fù)合 仿人型 觸覺 手指 及其 制備 方法 | ||
1.一種壓電壓阻復(fù)合仿人型觸覺手指，其特征在于：包括有仿人型觸覺手指本體，該仿人型觸覺手指本體從上至下依次由仿生指紋（1）、壓電壓阻敏感陣列（2）和指形基底（3）組成；
所述的壓電壓阻敏感陣列（2）由多個敏感單元構(gòu)成，各所述的敏感單元均包括有柔性封裝層（4）和柔性基底層（9），且兩者之間形成有一密封腔室，在該密封腔室內(nèi)填充有硅油液體層（5）以充當(dāng)液壓力傳導(dǎo)介質(zhì)；所述的硅油液體層（5）內(nèi)設(shè)置有壓電絲（6）和壓阻絲（7），所述的壓電絲（6）和壓阻絲（7）均穿過柔性基底層（9）并延伸至指形基底（3）外部便于與外部電極引線相連；所述的壓電絲（6）和壓阻絲（7）與柔性基底層（9）之間設(shè)置有柔性空腔層（8）；
所述的壓電絲（6）從內(nèi)至外依次由第一鎢絲（11）、PVDF壓電層（12）和第一鍍銅導(dǎo)電層（13）構(gòu)成；所述的壓阻絲（7）從內(nèi)至外依次由第二鎢絲（14）、導(dǎo)電橡膠層（15）和第二鍍銅導(dǎo)電層（16）構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電壓阻復(fù)合仿人型觸覺手指，其特征在于：所述的壓電壓阻敏感陣列（2）上的敏感單元的數(shù)量為531個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電壓阻復(fù)合仿人型觸覺手指，其特征在于：所述的壓電壓阻敏感陣列（2）位于仿人型指紋（1）的正下方，其空間分辨率為1mm，整體分布面積為426mm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電壓阻復(fù)合仿人型觸覺手指，其特征在于：所述的柔性基底層（9）開設(shè)有分別供壓電絲（6）和壓阻絲（7）穿過的通孔，兩個通孔之間中心距離為324μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電壓阻復(fù)合仿人型觸覺手指，其特征在于：所述的壓電絲（6）呈Z字形結(jié)構(gòu)，壓阻絲（7）呈C字形結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電壓阻復(fù)合仿人型觸覺手指，其特征在于：所述的柔性封裝層（4）、柔性空腔層（8）和柔性基底層（9）均由PDMS材料通過澆鑄成型，所述的柔性空腔層（8）總體尺寸為100μm×100μm×50μm，其內(nèi)部具有一個80μm×80μm×40μm的長方體腔室。
7.一種壓電壓阻復(fù)合仿人型觸覺手指的制備方法，其特征在于，包括有以下步驟：
步驟S1、將PVDF顆粒放入80℃的恒溫不銹鋼容器中1小時，每隔5分鐘攪拌一次，然后在180℃的恒溫爐中使其熔化；將熔化的PVDF放入擠出機的料斗中，長30m、直徑為0.03mm的鎢絲穿過金屬管，使料斗和口模的溫度恒為180℃，螺桿轉(zhuǎn)速為10r/min，經(jīng)過半徑為22μm的圓形口模擠出，通過雙輥開煉機定型，冷卻后得到表面包裹有PVDF的鎢絲，將其切成長50mm的小段；
步驟S2、將步驟S1中切好的小段平鋪到夾具上，安裝到多靶磁控濺射鍍膜機的轉(zhuǎn)鼓上，純度為99.99%的銅裝到陰極靶上；將真空室內(nèi)的氣壓抽至5×10-3Pa，引入純度為99.99%的濺射氣體氬氣，陰、陽兩極之間通上50mA直流電，得到表面覆蓋有銅金屬涂層的壓電絲（6），其厚度為10μm；
步驟S3、將步驟S2中制備好的壓電絲（6）浸入DMF溶液中2mm，使PVDF壓電層溶解，露出2mm長的導(dǎo)電芯，再利用壓電纖維極化設(shè)備對壓電絲（6）進(jìn)行極化處理；將壓電絲（6）浸入甲基硅油中，鎢絲為正極，鍍銅導(dǎo)電層為負(fù)極；在70℃溫度下，外加1000V電壓極化60min，待甲基硅油冷卻至室溫取出；
步驟S4、制備導(dǎo)電橡膠，原料為炭黑、硅橡膠、石油醚、納米SiO2、硅烷偶聯(lián)劑、二月桂酸二丁基錫和硫化劑正硅酸乙酯，其比例為2.5：10：6：2：0.3：0.3：0.7；將硅橡膠與石油醚按比例進(jìn)行稀釋，然后依次加入炭黑、SiO2、硅烷偶聯(lián)劑、二月桂酸二丁基錫，攪拌5min使其混合均勻后加入正硅酸乙酯，繼續(xù)攪拌5min，同時對混合液進(jìn)行抽真空處理，制得導(dǎo)電橡膠混合液；將混合液倒入擠出機的料斗中，長30m、直徑為0.03mm的鎢絲穿過金屬管，保持料斗和口模的溫度恒為50℃，螺桿轉(zhuǎn)速為60r/min，經(jīng)過半徑為22μm的圓形口模擠出，收集制得的導(dǎo)電橡膠條；將導(dǎo)電橡膠條放入160℃的甘油中硫化20min，取出進(jìn)行表面清理后切成50mm長的小段；
步驟S5、利用磁控濺射法在上述步驟S4中制得的小段表面鍍上一層10μm厚的銅金屬薄膜，得到壓阻絲（7）；
步驟S6、柔性封裝層（4）、柔性空腔層（8）和柔性基底層（9）通過模具注塑工藝來制備，將Sylgard184 PDMS預(yù)聚物與固化劑按10:1的質(zhì)量比均勻混合并抽真空除去氣泡，注入鋁合金模具中，在80℃的恒溫箱中放置3小時，然后將其從模具上剝落；其中柔性封裝層（4）和柔性基底層（9）的厚度為25μm；
步驟S7、將柔性空腔層（8）的下表面和柔性基底層（9）的上表面進(jìn)行氧等離子活化，對準(zhǔn)貼合；
步驟S8、對第一柔性空腔層（8a）的上表面以及其與第一通孔（10a）相切的側(cè)面和第一通孔（10a）的側(cè)面進(jìn)行氧等離子活化，將壓電絲（6）穿過第一通孔（10a）貼在第一柔性空腔層（8a）上表面的中間位置；同樣對第二柔性空腔層（8b）的上表面以及其與第二通孔（10b）相切的側(cè)面和第二通孔（10b）的側(cè)面進(jìn)行氧等離子活化，將壓阻絲（7）穿過第二通孔（10b）貼在第二柔性空腔層（8b）上表面的中間位置；
步驟S9、在步驟S6中制備好的柔性封裝層（4）的下表面旋涂一層UV硬化樹脂，與步驟S8制得的部件一起置于硅油液體中；將柔性封裝層（4）的下表面與柔性基底層（9）的上表面對準(zhǔn)，用波長為365nm的紫外光照射UV硬化樹脂，使其貼合、取出并進(jìn)行表面清理，制備出敏感單元；
步驟S10、將KE12聚氨酯甲酸酯涂到手指模具表面，先制備出0.2mm寬、0.2mm厚的仿生指紋（1）；將模具放入真空干燥箱中，啟動真空抽氣裝置除去氣泡；然后將模具取出，室溫下固化3小時后將步驟S9中制得的敏感單元按一定的排列順序嵌入仿生指紋內(nèi)，室溫下固化2小時，制得壓電壓阻敏感陣列（2）；
步驟S11、將KE12聚氨酯甲酸酯均勻注入到手指模具中；將所述模具放入真空干燥箱中除去氣泡后取出，室溫下放置5小時進(jìn)行固化處理，然后將其從模具上剝離；
步驟S12、將露在指形基底外的壓電絲（6）和壓阻絲（7）裁剪成一樣的長度，壓電絲（6）浸入DMF溶液中使PVDF壓電層溶解，露出2mm長的導(dǎo)電芯；將壓阻絲（7）浸入92號汽油中2mm，使導(dǎo)電橡膠層溶脹后用刮刀除去，裸露出2mm的導(dǎo)電芯；對露出的鎢絲表面進(jìn)行清理，得到所述的仿人型觸覺手指本體。
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