[發明專利]一種具有切向力各向異性響應的柔性傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202110509009.5
• 申請日: 2021-05-11
• 公開（公告）號: CN113280955B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 吳志剛;柴治平;柯星星;朱嘉淇
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;G01L5/165
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜

本發明屬于柔性傳感器相關技術領域，其公開了一種具有切向力各向異性響應的柔性傳感器及其制備方法，所述柔性傳感器包括上電極、柔性多孔介電層及下電極，所述柔性多孔介電層設置在所述上電極與所述下電極之間；所述柔性多孔介電層在結構上具有各向異性，其包括多層條狀微孔結構，相鄰兩層條狀微孔結構正交設置。所述柔性傳感器是可對正向力和切向力同時靈敏的傳感器，利用柔性傳感器在受到不同方向的力時的各向異性反應，使得傳感器根據受力時的反應模態可以較好地反應出受力大小和受力方向，同時該柔性傳感器的多孔結構可以有效提高傳感器的靈敏度。

技術領域

本發明屬于柔性傳感器相關技術領域，更具體地，涉及一種具有切向力各向異性響應的柔性傳感器及其制備方法。

背景技術

柔性傳感器作為一類快速發展的傳感器，具有一些剛性傳感器無法比擬的特點，傳統的剛性傳感器由于其無法變形，整體剛度大，不能很好地順形等特點，在具體的實際應用中，特別是傳感器集成，仍存在一些問題。柔性傳感器則能夠較好地彌補剛性傳感器在這一方面的缺陷。特別地，柔性壓力傳感器實現在剛性機器人或是軟體機器人上的集成后，能夠較好地幫助機器人產生觸感，實現與周圍環境的交互。另一方面，柔性傳感器所使用的材料通常對人體無害，具有很好的生物相容性，因此在生物醫療方面的應用也十分可觀。

柔性壓力傳感器在近些年得到了較為快速的發展，但在實際應用中也存在不足。許多傳感器的研究集中于提高壓力傳感器的正向靈敏度，但缺乏對切向力的檢測功能。實際上，在外界提供的刺激中，切向力所能提供的信息與正向力同樣豐富，特別是對一些動態力的感知中，切向力起著至關重要的作用。也有一些傳感器實現了正、切向力同時測量的功能，但他們通常由多組電極組成，導致結構和工藝復雜。或者存在同時對正向力和切向力敏感的傳感器，它在各個方向上受力時，響應具有一致性，實際使用中無法通過信號變化判斷所受的是什么方向的力，力的大小是多少，因此找到一種能夠實現力的方向測量的簡便的傳感器方案顯得十分有意義。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種具有切向力各向異性響應的柔性傳感器及其制備方法，所述柔性傳感器是可對正向力和切向力同時靈敏的傳感器，利用柔性傳感器在受到不同方向的力時的各向異性反應，使得傳感器根據受力時的反應模態可以較好地反應出受力大小和受力方向，同時該柔性傳感器的多孔結構可以有效提高傳感器的靈敏度。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種具有切向力各向異性響應的柔性傳感器，所述柔性傳感器包括上電極、柔性多孔介電層及下電極，所述柔性多孔介電層設置在所述上電極與所述下電極之間；

所述柔性多孔介電層在結構上具有各向異性，其包括多層條狀微孔結構，相鄰兩層條狀微孔結構正交設置。

進一步地，每層條狀微孔結構包括多個間隔設置的條狀微孔，相鄰兩層條狀微孔結構的微孔沿其自身長度方向的橫截面的形狀不同。

進一步地，所述柔性傳感器還包括上電極基底及下電極基底，所述上電極及所述下電極分別設置在所述上電極基底及所述下電極基底上。

進一步地，所述上電極基底及所述下電極基底的材料均為聚二甲基硅氧烷。

進一步地，所述上電極及所述下電極的材料為導電織物；所述柔性多孔介電層的材料為Ecoflex0030和碳納米管的混合物。

進一步地，當待測的力為二維力時采用兩個所述柔性傳感器，且兩個所述柔性傳感器以正交方式堆疊設置。

進一步地，當待測的力為三維力時采用三個所述柔性傳感器，且三個所述柔性傳感器以交錯方式堆疊設置。

按照本發明的另一方面，提供了一種具有切向力各向異性響應的柔性傳感器的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：采用模具制備所述柔性多孔介電層，并采用硅膠將上電極基底、上電極、所述柔性多孔介電層、下電極及下電極基底膠合在一起以得到所述柔性傳感器；其中，所述模具與所述柔性多孔介電層為互補反結構。