可贴敷立式微电容式柔性力学传感器及其制作方法和应用与流程

本发明涉及一种力学传感器，特别涉及一种可贴敷立式微电容式柔性力学传感器及其制作方法和应用，属于微机电技术领域。

背景技术：

近年来假肢技术虽然有了很大发展，但假肢的拒用和弃用率仍然很高，主要原因是缺乏安全且有效的触觉感知反馈与仿生柔顺控制功能。作为感知信息来源的最前端触觉传感器，其信号检测的精准性、辨识度及与人体生理信号融合性，是佩戴者能通过后端神经反馈通道建立类自然人手柔顺抓、握、扭等基本控制动作的信息基础，成为领域内一个研究重点。近年随着柔性电子技术的兴起与快速发展，利用柔性电子传感器轻、薄及与曲面良好共形等优点，让假肢手实现类似人体柔性皮肤的自然触觉感知功能成为可能。

目前柔性电子传感器研究主要是针对压力传感灵敏度、稳定性等，但解决触感位置及触觉模式的有效分辨问题，尤其是对压力和剪切力(即静摩擦力、滑动摩擦力)的精确辨识，是柔性传感器领域重要挑战。已报道研究工作，主要采用压力传感阵列并辅助以信号处理技术，存在采集数据量大且直观性差、信号处理模式复杂等问题，这对于在仿生假肢手或机器人仿生皮肤应用而言过于复杂，无法直接应用在假肢手感知。能够区分压力、剪切力的单一柔性传感器件目前还没有相关报道，这就是一个挑战，其原因在于一般报道柔性力学传感器所采用敏感材料或微纳结构对压力和剪切力的响应模式或方式是完全相同的。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种可贴敷式具有仿指纹“涡纹”微纳结构的立式微电容式柔性力学传感器及其制作方法和应用，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例一方面提供了一种可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其包括柔性衬底、敏感层以及至少两个电极，所述敏感层设置在柔性衬底的表面，所述至少两个电极间隔设置在敏感层上；

其中，所述敏感层包括设置在柔性衬底表面的电容微极板以及设置在所述电容微极板表面的纳米线导电网络层，所述电容微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一电容微极板、第二电容微极板，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成仿指纹涡纹的三维立体双螺旋状微纳结构，所述第一电容微极板与第二电容微极板之间还分布有聚合物介电层。

进一步的，所述第一电容微极板、第二电容微极板的高度为10～50μm，宽度为5～20μm，螺旋圈数为10～50圈，且第一电容微极板与第二电容微极板之间的间距大于30μm而小于或等于100μm。

进一步的，所述纳米线导电网络层包括由复数根金属纳米线相互交织形成的具有三维网状互联结构的金属纳米线三维网络导电薄膜。

更进一步的，所述金属纳米线包括银纳米线、铜纳米线、金纳米线、镍纳米线的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

更进一步的，所述金属纳米线三维网络导电薄膜的厚度为2～10μm。

进一步的，所述柔性衬底、敏感层与聚合物介质层结合为一体，所述纳米线导电网络层与电容微极板表面形成连续一体化界面结构。

进一步的，所述电极为电极线，所述电极线的一端与纳米线导电网络层电性结合，另一端由所述纳米线导电网络层表面引出。

进一步的，所述聚合物介电层的材质包括热塑性弹性体、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述柔性衬底的材质包括聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺和聚乙烯的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述柔性衬底的厚度为20～300μm。

进一步的，所述电容微极板与柔性衬底一体成型设置，所述电容微极板的材质与柔性衬底的材质相同，所述电容微极板的材质包括聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺和聚乙烯的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述电容式柔性力学传感器的厚度为190～500μm。

本发明实施例另一方面还提供了如所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器的制作方法，其包括：

提供表面设有图案化凹槽的模板，所述图案化凹槽包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一凹槽、第二凹槽，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成仿指纹涡纹的三维立体双螺旋状微纳结构；

在所述模板表面施加金属纳米线分散液，形成金属纳米线三维网络导电薄膜；

除去所述模板表面除图案化凹槽之外区域的金属纳米线三维网络导电薄膜，使余留于第一凹槽、第二凹槽内的金属纳米线三维网络导电薄膜作为纳米线导电网络层；

将用于形成电容微极板和柔性衬底的预聚物涂布在所述模板表面，之后使所述预聚物固化形成电容微极板和柔性衬底，将相互结合的柔性衬底、电容微极板和纳米线导电网络层与模板分离，其中，所述电容微极板一体成型在所述柔性衬底表面，所述纳米线导电网络层设置于所述电容微极板表面从而构建敏感层，并且，所述电容微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一电容微极板、第二电容微极板，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成仿指纹涡纹的三维立体双螺旋状微纳结构；

至少在所述第一电容微极板与第二电容微极板之间填充聚合物介电材料，从而形成聚合物介电层。

进一步的，所述的制作方法具体包括：将溶度为1-10wt％的金属纳米线分散液涂布在所述模板表面，之后干燥形成具有三维网状互联结构的金属纳米线三维网络导电薄膜。

进一步的，所述的制作方法具体包括：采用机械剥离的方式除去所述模板表面除图案化凹槽之外区域的金属纳米线三维网络导电薄膜，而使位于第一凹槽、第二凹槽内的金属纳米线三维网络导电薄膜被保留。

进一步的，所述的制作方法具体包括：在表面结合有敏感层的柔性衬底表面涂布聚合物介电材料，之后固化，从而形成聚合物介电层。

更进一步的，所述的制作方法还包括：将第一电极板、第二电极板表面的纳米线导电网络层分别与至少一电极线一端电性结合，并使所述电极线的另一端从纳米线导电网络层表面引出。

进一步的，所述第一凹槽、第二凹槽的深度为10～50μm，宽度为5～20μm，螺旋圈数为10～50圈，且第一凹槽与第二凹槽之间的距离大于30μm而小于或等于100μm。

本发明实施例还提供了一种仿触觉神经脉冲信号电路系统，其包括：所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，以及，用以与所述可贴敷立式微电容式柔性力学传感器连接而形成信号转换的功能电路。

进一步的，所述可贴敷立式微电容式柔性力学传感器、功能电路还与电源连接而形成工作回路，所述电路系统功能为能将所述传感器输出的电压电话信号转换为具有频率特征的脉冲信号。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明通过仿人手指纹“涡纹”微纳结构对物体位置及模式精确感知模式，构筑具有双螺旋状微纳结构电极板的立式微电容式结构柔性力学传感器，建立了螺旋式微纳结构在径向垂直压力、切向静摩擦力及滑动摩擦力作用下形变响应模式的理论机制，在不需复杂信号解析或算法条件下，实现单一仿生微纳结构柔性力学传感器对压力、静摩擦力、滑动摩擦力的精确感知及辨识能力；

2)本发明实施例提供了可贴敷电容式柔性力学传感器具有轻薄、柔软等特点，可以被加工成多种形状，具有可穿戴、可贴附的优点，特别是其中的电极板因采用了仿指纹“涡纹”微纳结构，可实现对压力、剪切力较高灵敏度的选择性响应，同时还具有高精度、高可靠性、长寿命等优点；

3)本发明实施例提供的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器的制备工艺简单可控，原料廉价易得，适合大规模工业化生产；

4)本发明实施例还构建一种仿触觉神经脉冲信号电路系统，实现了将不同传感响应信号通过电路信号处理转换为特定脉冲频率电信号，达到与神经脉冲信号相匹配的要求，为感知信号与人体生理信号进一步融合提供强有力方法，并为人-机界面交互与控制提供信号基础，完成仿生假肢“人-器”融合的超灵敏感知境界。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图；

图1a、图1b、图1c、图1d分别是本发明一典型实施方案中一种可贴敷式、具有仿指纹“涡纹”微纳结构的立式微电容式柔性力学传感器的实际光学照片图；

图1c、图1d分别是本发明一典型实施方案中一种可贴敷式、具有仿指纹“涡纹”微纳结构的立式微电容式柔性力学传感器的内部结构图；

图1e、图1f、图1g、图1h分别是本发明一典型实施方案中一种可贴敷式、具有仿指纹“涡纹”微纳结构的立式微电容式柔性力学传感器的仿“涡纹”微纳结构的双螺旋状微纳结构电镜图；

图1i是本发明一典型实施方案中一种可贴敷式、具有仿指纹“涡纹”微纳结构的立式微电容式柔性力学传感器的结构示意图；

图2是本发明一典型实施方案中一种可贴敷式、具有仿指纹“涡纹”微纳结构的立式微电容式柔性力学传感器对压力、静摩擦力、滑动摩擦力的选择性响应性能图；

图3a、图3b、图3c分别是本发明一典型实施方案中一种可贴敷式、具有仿指纹“涡纹”微纳结构的立式微电容式柔性力学传感器对压力、静摩擦力、滑动摩擦力精确感知实际应用性能图；

图4是本发明一典型实施方案中一种仿触觉神经脉冲信号电路系统的实际光学照片、其设计原料库图；

图5a、图5b分别是本发明一典型实施方案中一种仿触觉神经脉冲信号电路系统转换后脉冲信号结果图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。

本申请的发明人在长期研究和大量实践中发现，自然人手能够正确实现承重物体(压力)、感知物体在手指上是否抓住(动摩擦)或抓牢(静摩擦力)的关键性基本感官功能，可能是得益于手指“涡纹”纹理微纳结构能对压力、剪切力的选择性能响应。这种简单优雅但功能强大的天然微纳结构设计，对于致力于实现仿人功能的假肢手或机器人仿生电子皮肤功能而言，是柔性传感器追求性能极致的完美仿生对象。由此启示，本申请的发明人得以提出本发明的技术方案。

如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

请参阅图1i，本发明实施例一方面提供了一种可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，其包括柔性衬底10、敏感层以及至少两个电极21，所述敏感层设置在柔性衬底10的表面，所述至少两个电极21间隔设置在敏感层上；

其中，所述敏感层包括设置在柔性衬底10表面的电容微极板11以及设置在所述电容微极板表面的纳米线导电网络层20，所述电容微极板11包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一电容微极板、第二电容微极板，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成仿指纹涡纹的三维立体双螺旋状微纳结构，所述第一电容微极板与第二电容微极板之间还分布有聚合物介电层30；以及，该柔性衬底10、敏感层与聚合物介质层30结合为一体，所述纳米线导电网络层20与电容微极板11表面形成连续一体化界面结构。

具体的，该电极21为电极线，该电极线的一端与纳米线导电网络层20电性结合，另一端由所述纳米线导电网络层20表面引出。

具体的，该可贴敷立式微电容式柔性力学传感器还包括用于封装柔性力学传感器的封装层40，封装层40的材质和厚度可以采用现有已知的材料，厚度根据设计需要进行设置。

具体的，该电容微极板11与柔性衬底10是一体成型设置的，可以理解为，该电容微极板是形成于柔性衬底表面上的三维立式微纳结构，亦即，该柔性衬底为具有微结构的柔性衬底，其中，第一电容微极板、第二电容微极板的高度为10～50μm，宽度为5～20μm，螺旋圈数为10～50圈，且第一电容微极板、第二电容微极板之间的距离大于30μm而小于或等于100μm；该柔性衬底的厚度为20-300μm。

具体的，所述纳米线导电网络层20包括由复数根金属纳米线相互交织形成的具有三维网状互联结构的金属纳米线三维网络导电薄膜，其中的金属纳米线包括银纳米线、铜纳米线、金纳米线、镍纳米线的任意一种或两种以上的组合，但不限于此；该所述金属纳米线三维网络导电薄膜的厚度为2～10μm

具体的，所述聚合物介电层30的材质包括热塑性弹性体、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

本发明实施例提供的可贴敷电容式柔性力学传感器在工作时，能于所述双螺旋电容微极板中形成压缩或弯曲或拉伸变形状态，使得所述电容式柔性力学传感器对压力、剪切力(即静摩擦力、滑动摩擦力)形成仿指纹“涡纹”三维立体双螺旋状微纳结构的选择性辨识响应功能。

另外，在本发明实施例提供的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器能够区分不同力学类型的基础上，还可通过电路转换将响应信号转为相应特征频率信号，使之对应于人手抓/握等动作感知区的神经信号，以实现人机界面交互。

相应的，本发明实施例还提供了一种仿触觉神经脉冲信号电路系统，其包括：所述的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器，以及，用以与所述可贴敷立式微电容式柔性力学传感器连接而形成信号转换的功能电路。

进一步的，所述可贴敷立式微电容式柔性力学传感器、功能电路还与电源连接而形成工作回路。

本发明实施例提供了一种可贴敷立式微电容式柔性力学传感器的制作方法，其具体包括如下步骤：

s1利用掩膜版加光刻技术制作具有双螺旋凹槽结构(即前述图案化凹槽，下同)的硅模版，而后将此硅模版固定于热板之上，并于55～85℃恒温加热，将溶度为1～10％的金属纳米线乙醇溶液喷涂于具有双螺旋凹槽结构的硅模版的表面，并加热使得乙醇立刻挥发，剩下的金属纳米线在具有双螺旋凹槽结构的硅模版表面形成金属纳米线三维网络导电薄膜，金属纳米线三维网络导电薄膜的厚度为2-10μm；其中，所述双螺旋凹槽结构包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一凹槽、第二凹槽，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成仿指纹涡纹的三维立体双螺旋状微纳结构；所述第一凹槽、第二凹槽的深度为10～50μm，宽度为5～20μm，螺旋圈数为10～50圈，且第一凹槽、第二凹槽之间的距离大于30μm而小于或等于100μm；其中的金属纳米线可以是银纳米线、铜纳米线、金纳米线、镍纳米线的任意一种或两种以上的组合；

s2将上述硅模版表面除双螺旋凹槽结构之外区域的金属纳米线三维网络导电薄膜用机械力剥除，只在双螺旋凹槽结构的内壁和底部留下金属纳米线三维网络导电薄膜，余留于第一凹槽、第二凹槽内的金属纳米线三维网络导电薄膜分别形成纳米线导电网络层；

s3将柔性衬底材料预聚物旋涂于上述硅模版的表面，并在60～85℃度下加热1～3h而使柔性衬底材料预聚物固化形成柔性衬底，之后将柔性衬底从硅模版中剥离，进而得到具有仿“涡纹”微纳结构的三维立体双螺旋状微纳结构电容微极板的柔性衬底，其结构如图1c、图1d所示；其中，纳米线导电网络层形成在电容微极板的表面从而构建敏感层，电容微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一电容微极板、第二电容微极板，第一电容微极板、第二电容微极板的高度为10～50μm，宽度为5～20μm，螺旋圈数为10～50圈，且第一电容微极板、第二电容微极板之间的距离大于30μm而小于或等于100μm；该柔性衬底的厚度为20-300μm；柔性衬底与第一电容微极板、第二电容微极板是一次复形形成的一体结构；柔性衬底和电容微极板的材质可以是聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺和聚乙烯的任意一种或两种以上的组合；

s4将聚合物介电层材料旋涂于上述具有三维立体双螺旋状微纳结构电容微极板的柔性衬底表面，并置于烘箱中于35～65℃度下恒温加热1～3h固化，进而形成聚合物介电层，聚合物介电层与金属纳米线三维网络导电薄膜、柔性衬底形成连续一体化界面结构，使各方融为一体结构；其结构如图1e、图1f、1g、图1h所示，其中，聚合物介电层材料为热塑性弹性体(tpe)、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺的任意一种或两种以上的组合；

s5在步骤s4中制备器件的纳米线导电网络层末端分别引出电极线；电极线与纳米线导电网络层之间用导电银浆进行粘连，而后得到完整仿“涡纹”微纳结构的柔性力学传感器，如图1a、图1b所示；基由上述制作方法形成的电容式柔性力学传感器对压力、静摩擦力、滑动摩擦力选择性响应能力如图2所示，该可贴敷式、具有仿指纹“涡纹”微纳结构的电容式柔性力学传感器对压力、静摩擦力、滑动摩擦力精确感知实际应用性能图分别如图3a、图3b、图3c所示。

实施例1

1)将通过掩膜、光刻、刻蚀加工方法制备的具有双螺旋凹槽结构的硅模版用去离子水、乙醇/丙酮各超声清洗3遍后烘干，其中双螺旋结构的尺寸为深度25μm、宽度15μm，且螺旋状凹槽之间的距离为70μm，螺旋圈数为30圈；

2)将烘干后的硅模版固定于加热板之上，保持85℃加热温度，而后将配置好溶度为1.5％银纳米线/乙醇分散液喷涂于模版表面，待乙醇挥发干后硅模版表面形成一层银纳米线三维网络结构导电薄膜，接着用机械剥离方式将双螺旋凹槽外部的银纳米线去除，只留下双螺旋凹槽结构内部侧壁和底部银纳米线导电薄膜作为纳米线导电网络层；

3)然后，将聚二甲基硅氧烷(pdms)预聚体旋涂于上述硅模版，置于80℃烘箱中加热固化2小时后，将固化的pdms从硅模版表面剥离，制备得到表面带有银纳米线三维网络结构导电薄膜和具有仿“涡纹”微纳结构的三维立体双螺旋状微纳结构电容微极板的柔性衬底，其中，银纳米线三维网络结构导电薄膜设置在电容微极板表面而形成敏感层；

4)在银纳米线三维网络结构导电薄膜表面引出两条电极后，将上述带电极与敏感层的柔性衬底固定于旋涂机之上，将热塑性弹性体(tpe)/环己烷分散液旋涂衬底之上，室温下固化3-4小时成型，制备得到具有仿指纹“涡纹”微纳结构的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器。

测试所组装柔性力学传感器对不同力类型响应性能，测试结果如图2所示，表明该柔性器件对压力、静摩擦力、滑动摩擦力具有选择性响应能力，将该器件贴敷于手指之上，能实现对抓握物体、物体滑动的响应；将此柔性传感器与后端信号处理电路(如图4所示)、供电电源相连接，构筑仿触觉神经脉冲信号电路系统，进而将传感器输出电压电话信号转换为具有频率特征的脉冲信号，仿触觉神经脉冲信号电路系统转换后脉冲信号结果如图5a、图5b所示。

对照例1

本对照例中一种电容式柔性力学传感器的制作方法与实施例1中的方法流程基本一致，即在

本发明在与实施例1相同的条件下，将用于构建敏感层的纳米线导电网络层的金属纳米线替换为普通导电材料，进而构建电容式柔性力学传感器；并对其进行性能测试：基由该对照例1所构建的电容器将不抗应力应变，即：在压力剪切力情况下，普通导电材料由于不具有金属纳米线导电网络的柔韧性，将发生断裂或从微纳结构(即电容微极板)表面脱落，造成器件失效或循环使用性能差(1-3次器件就失效)，而实施例1中基由金属纳米线导电网络的循环稳定性可达100次以上。

本发明实施例提供了一种可贴敷立式微电容式柔性力学传感器中的仿“涡纹”微纳结构的三维立体双螺旋状微纳结构能够实现所构筑器件对压力、剪切力的选择性响应，从而达到对力学信号的区分，例如：由图2中可以清晰可见，该器件的压力无响应、对静摩擦力响应值变大，对滑动摩擦力响应值变小，因而可以根据响应正负值来确定力的类型；若采用其他叉指结构，基本对所有的力(压力、剪切力)都有相同的响应趋势(都向上或向下)，进而造成的器件无法进行力信号的分辨；而对于申请书中研究背景而言，假肢手就是需要能区分压力和剪切力，以分辨抓握物体是否抓住或掉落。

与现有技术相比，本发明通过仿人手指纹“涡纹”微纳结构对物体位置及模式精确感知模式，构筑具有双螺旋状微纳结构电极板的立式微电容式结构柔性力学传感器，建立了螺旋式微纳结构在径向垂直压力、切向静摩擦力及滑动摩擦力作用下形变响应模式的理论机制，在不需复杂信号解析或算法条件下，实现单一仿生微纳结构柔性力学传感器对压力、静摩擦力、滑动摩擦力的精确感知及辨识能力；以及，本发明实施例提供了可贴敷电容式柔性力学传感器具有轻薄、柔软等特点，可以被加工成多种形状，具有可穿戴、可贴附的优点，特别是其中的电极板因采用了仿指纹“涡纹”微纳结构，可实现对压力、剪切力较高灵敏度的选择性响应，同时还具有高精度、高可靠性、长寿命等优点；另外，本发明实施例提供的可贴敷立式微电容式柔性力学传感器的制备工艺简单可控，原料廉价易得，适合大规模工业化生产；并且，本发明实施例还构建一种仿触觉神经脉冲信号电路系统，实现了将不同传感响应信号通过电路信号处理转换为特定脉冲频率电信号，达到与神经脉冲信号相匹配的要求，为感知信号与人体生理信号进一步融合提供强有力方法，并为人-机界面交互与控制提供信号基础，完成仿生假肢“人-器”融合的超灵敏感知境界。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。