[發明專利]基于皮膚觸覺感知架構的多層仿生觸覺傳感器及制備方法

在審

• 申請號: 202210035590.6
• 申請日: 2022-01-13
• 公開（公告）號: CN114354032A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 郭小輝;洪煒強;唐國鵬;金程超;李湘;曹家煦;許耀華;楊利霞;黃志祥
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: G01L1/20
• 分類號: G01L1/20
• 代理公司: 合肥國和專利代理事務所(普通合伙) 34131
• 代理人: 孫永剛

一種基于皮膚觸覺感知架構的多層仿生觸覺傳感器及制備方法，傳感器包括第一結構層、第二結構層、第三結構層和第四結構層，其中第一結構層為類人體表皮的膜層，用于封裝第二結構層、第三結構層和第四結構層；第二結構層為PDMS填充織物層，無間隙連接在第三結構層的上表面，用于模擬機械力的傳輸通道；第三結構層為導電敏感材料層，用于模擬皮膚觸覺感受器，無間隙連接在第四結構層的上表面；第四結構層為電極襯底，用于模擬傳輸的離子通道。本發明結構新穎，平衡了靈敏度和量程之間的矛盾，使觸覺傳感器擁有超寬的量程、更高的靈敏度、更短的響應時間、更好的穩定性。

技術領域

本發明涉及一種電阻式柔性觸覺傳感器，尤其是一種基于人體皮膚觸覺感知架構啟發多層結構的超寬量程柔性仿生觸覺傳感器，屬于觸覺傳感技術領域。

背景技術

隨著柔性傳感器的快速發展，推動了對可穿戴電子皮膚的廣泛研究，例如人機交互和健康監測。其中，柔性觸覺傳感器在假肢和智能機器人等領域受到極大關注。根據傳感機制的不同，柔性觸覺傳感器可分為電阻式、電容式、壓電式和摩擦電式。其中，電阻式觸覺傳感器將機械刺激轉化為電阻變化。它具有響應時間快、讀出機制方便、生物相容性好、成本低等優點。因此，電阻式觸覺傳感器具有廣闊的應用前景。

目前，國內外的電阻式柔性觸覺傳感器在研究追求高靈敏度時，需要對傳感器的內部結構不斷地小型化，使傳感器能夠承受的最大壓力極限減小，導致線性傳感范圍較小，難以同時兼具高靈敏度、快速響應和寬量程。例如，已知的CB納米粒子由絲瓜絡海綿制成，可優化3D可穿戴石墨烯多功能壓阻傳感器，其靈敏度為0.055kPa^-1，響應時間為200ms，線性傳感范圍為300kPa；另外已知的通過集成石墨烯和碳納米管用于高靈敏度觸覺傳感器的柔性水性聚氨酯/纖維素納米晶復合氣凝膠制造了一種柔性壓阻傳感器，其靈敏度為0.25kPa^-1，響應時間為120ms，線性傳感范圍為76.16kPa。

綜上可見，現有的柔性電阻式觸覺傳感器通常僅有較寬的線性傳感范圍、高靈敏度或較短響應時間，難以同時具備超寬線性感應范圍、高靈敏度和快速響應，從而會導致信息采集不準確，信號處理難度增加。

發明內容

為了克服相關技術的上述不足，本發明提供一種基于皮膚觸覺感知架構的多層仿生觸覺傳感器及制備方法，該傳感器結構新穎，兼具線性傳感范圍寬、穩定性更好、響應時間更快、靈敏度更高、靈活性更好的優點。

本發明解決其技術問題采用的一種技術方案是：

一種基于皮膚觸覺感知架構的多層仿生觸覺傳感器，包括：第一結構層，為類人體表皮的膜層，用于封裝第二結構層、第三結構層和第四結構層；第二結構層，為PDMS填充織物層，無間隙連接在第三結構層的上表面，用于模擬機械力的傳輸通道；第三結構層，為導電敏感材料層，用于模擬皮膚觸覺感受器，無間隙連接在第四結構層的上表面；以及第四結構層，為電極襯底，用于模擬傳輸的離子通道。

本發明解決其技術問題采用的另一種技術方案是：

一種基于皮膚觸覺感知架構的多層仿生觸覺傳感器的制備方法，包括以下步驟：制備導電敏感材料層：將紙用NaOH水溶液和CB-MXene-SR兩相敏感材料溶液依次處理得到；制備PDMS填充織物層：將織物浸漬于PDMS處理得到；將PDMS填充織物層、導電敏感材料層和叉指電極襯底由上至下堆疊連接，再用透氣防水薄膜封裝即可。