[發明專利]一種三維景深觸覺傳感器及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210310361.0
• 申請日: 2022-03-28
• 公開（公告）號: CN114705225A
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 邰艷龍;朱珊珊;曾賢賢;黃佳鑫;霍爾虎特;陳大柱;李光林
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: G01D5/14
• 分類號: G01D5/14;C23C14/04;C23C14/20;C23C14/35
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 范盈;李玉娜

本發明公開了一種三維景深觸覺傳感器及其制備方法和應用。三維景深觸覺傳感器包括介電層和導電層；介電層為摻雜有納米顆粒的聚合物；導電層設置于介電層的至少一個表面上。制備方法包括以下步驟：(1)制備納米顆粒?聚合物復合薄膜介電層：將納米顆粒超聲分散于聚合物溶液中，固化成膜；(2)制備導電層：在步驟(1)得到的復合薄膜的表面圖案濺射金屬制備導電層。本發明基于靜電相互作用和電荷轉移原理，將外界物體靠近?遠離的運動行為與感知電信號建立相應的邏輯關系，該傳感器制備方法簡單，且對外界非接觸物體運動刺激響應靈敏迅速。

技術領域

本發明涉及柔性生物傳感器技術領域，尤其涉及一種三維景深觸覺傳感器及其制備方法和應用。

背景技術

生物感覺運動系統能夠以電化學信號的形式獲取外部信息并將其傳遞到內部神經系統，并產生運動反饋構建與外界的交互(Nat.Rev.Neurosci.2011.12(3):139-153)?；诜律骷c生物器官功能上的相似性，建立相同的計算和處理系統可以彌合人工系統與生物系統之間的鴻溝(Nat.Commun.2021.12(1):4658)。其中，仿生感知對人類康復和具有高階與多模態功能的新型人工體感系統具有重要意義，例如人機協作(Human-machinecooperation，HMC)中的假肢(Adv.Mater.2015.27(46):7620-7637)、可穿戴設備(Chem.Rev.2020.120(8):3668-3720)以及智能機器人(Adv.Mater.2019.31(48):1904765)。迄今為止，科學家們已經開發出多種模擬人類視覺(Sci.Adv.2018.4(11):eaat7387)、聽覺(Sci.Robot.2018.3(20):eaat2516)、觸覺(Nat.Electron.2021.4(6):429-438)、味覺(Sci.Adv.2020.6(23):eaba5785)和嗅覺(Nat.Mach.Intell.2020.2(3):181-191)的人工感官系統，使我們能夠通過創建多感官通道來感知周圍環境并作用于環境。

其中，觸覺電子器件(Nature.2019.575(7783):473-479)是增強HMC的熱點之一。它們主要模仿生物皮膚對外界機械運動的感知，包括靜態識別和動態識別。其中靜態識別主要包括：接觸點的位置或分布(Sci.Adv.2021.7(12):eabd9117)、接觸面積的大小(Nat.Nanotechnol.2011.6(12):788-792)、接觸物體的表面形貌(Nat.Electron.2021.4(6):429-438)等；動態識別主要包括：垂直方向的壓力(Nat.Mater.2010.9(10):859-864)，水平方向的滑動或摩擦(Adv.Mater.2014.26(11):1719-1724)等。感知機制涉及摩擦電效應，壓電/電阻/電容效應、靜電感應、電磁效應等多種效應以及它們的組合。目前，申請人希望HMC在超越人體皮膚的基本功能和深化人與人工智能在3D空間的融合方面(IEEEComput.Graph.Appl.1996.16(2):18-21)能夠得到進一步發展。

現有技術中，觸覺電子器件在感知方面存在的問題主要有以下幾方面：(1)這類感知仍舊停留在2D皮膚表面且必須有接觸或壓力產生，因此無法避免接觸損傷和額外的功耗，以及外部環境信息傳遞的不完整；(2)在3D空間的感知方面，通常采用激光、紅外、超聲波等傳統方法，導致其成本高、器件布局復雜或難以集成等，限制它們在HMC中的進一步應用；(3)一些基于磁力或濕度傳感的新方法仍局限于電磁感應的特殊條件或1cm內的有限感知范圍。

自供能傳感器能夠采集環境中的能量，實現傳感器的自供電，可解決無線傳感器攜帶電池能量有限等一系列問題。因此，開發基于觸覺感知的自供能傳感器可以進一步地拓展應用場景和應用領域。

發明內容