基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法

本发明涉及触觉传感器的，尤其涉及一种基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法。

背景技术：

1、人体皮肤不仅是保护我们的身体免受外部环境损害的有效屏障，也是我们感知周围环境的复杂传感器，例如物体形状，纹理，硬度，温度和湿度。因此，模拟人体皮肤特性的电子皮肤在机器人、医疗设备和假肢等领域具有巨大的应用潜力。近几年，对电子皮肤各个特性的研究很多，包括可拉伸、自愈性、触觉感知、湿度检测和温度检测等。其中，识别纹理三维信息的触觉感知便是一个研究热点。传统光滑表面的传感器由于与纹理之间的摩擦力太小，并不适合应用于识别纹理三维信息。受人体指纹的启发，已报道的触觉传感器一般是在传感器面向物体一侧设有独特的感知结构。例如，2018年学术期刊《small》第4卷，第16期发表了题为“fingerprint-inspired flexible tactile sensor for accuratelydiscerning surface texture”的论文，报道了一种由单壁碳纳米管(swnts)、聚乙烯(pe)和聚二甲基硅氧烷(pdms)与微金字塔阵列组装而成的新型柔性触觉传感器，该传感器具有互锁和外部微金字塔阵列，可以检测到外部微金字塔结构与被测材料表面之间的动态相互作用引起的剪切力变化，可以识别的微条纹的最小尺寸低至15μm×15μm(间隔×宽度)，但是这种独特的微金字塔阵列是通过光刻的硅模板制备出来的，光刻只能实现一些非常基本的三维形状，同时，光刻不可避免地需要二元曝光机、蚀刻机等昂贵的设备，并且需要设计结构，经济成本和时间成本都比较高；同时，两个对称的内金字塔层的轻微错位可能会导致两层金字塔断触，即传感器发生断路，而识别纹理宽度是通过传感器滑过纹理时产生的电流的时间差来推算的，因此，对称的内金字塔层并不适用于识别纹理三维信息。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法，旨在解决现有技术方法中所存在的基于内微触觉结构传感器制备成本高的问题。

2、第一方面，本发明实施例公开了一种基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法，方法包括将聚二甲基硅氧烷弹性体与固化剂混合得到pdms预聚体，在所述pdms预聚体中加入石墨烯粉末并搅拌得到gpc墨水；将所述pdms预聚体层旋涂于制膜钢板中设置有弧形凹坑的一侧表面上，将pet层压合于所述pdms预聚体层上，剥离所述制膜钢板得到pdms基底，所述pdms基底上表面形成与所述弧形凹坑对应的条状凸起结构；将gpc墨水涂匀浇筑于ito-pet层的上表面形成gpc层，将另一pet层的一侧表面压合于所述gpc层上，加热浇筑形成的所述gpc层后，剥离所述pet层得到第一传感结构层；将gpc墨水涂匀浇筑于所述ito-pet层的上表面形成gpc层，将砂纸的磨砂面压合于所述gpc层上，加热浇筑形成的所述gpc层后，剥离所述砂纸得到第二传感结构层，所述第二传感结构层的一侧表面上形成与所述砂纸对应的接触传感内微结构；将所述第一传感结构层、所述第二传感结构层以及所述pdms基底依次自上而下叠放形成复合传感结构层，所述复合传感结构层用于接触传感；将pi胶带贴合于所述复合传感结构层的边缘封装固定得到所述传感器，所述复合传感结构层用于接触传感。

3、进一步地，剥离制膜钢板得到pdms基底之前，方法还包括将pdms预聚体层置于80-100℃的温度环境下进行固化。

4、进一步地，将gpc墨水浇筑于ito-pet层的上表面并涂匀形成gpc层之前，方法还包括：将pi胶带附着于ito-pet层的侧边缘，用于测量gpc层的形成高度。

5、进一步地，凸起结构高度为1-3mm，凸起结构宽度为2-6mm。

6、进一步地，砂纸的目数为60-240。

7、第二方面，本案公开了一种基于单面内微触觉结构的传感器，所述传感器采用上述基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法制造得到，所述复合传感结构层包括所述pdms基底、所述第一传感结构层以及所述第二传感结构层，所述第一传感结构层与所述第二传感结构层的侧边缘上设置柔性绝缘层，所述第二传感结构层朝向所述pdms基底的一侧表面上形成第一柔性衬底以及第一柔性电极，所述第一传感结构层远离所述第二传感结构层的一侧表面上形成第二柔性电极以及第二柔性衬底；所述传感器还包括封装固定于所述复合传感结构层边缘的pi胶带。

8、进一步地，第一柔性衬底以及第二柔性衬底的厚度为6-50μm。

9、进一步地，第一传感结构层以及第二传感结构层厚度为200-400μm，其中，第二传感结构层设置有接触传感内微结构。

10、进一步地，pdms基底采用聚二甲基硅氧烷弹性体与固化剂混合得到的pdms预聚体固化制成。

11、进一步地，第一传感结构层以及第二传感结构层采用pdms预聚体与石墨烯粉末混合得到的gpc墨水制成，石墨烯粉末在gpc墨水中的质量占比为15-45％。

12、进一步地，pdms预聚体采用聚二甲基硅氧烷弹性体与固化剂混合制得，聚二甲基硅氧烷弹性体与固化剂的质量之比为5:1。

13、上述基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法以砂纸为模板，利用砂纸的微纳层次结构所制备的触觉传感层结构使得传感器具有较高的触觉传感灵敏度，相比于传统触觉传感器需要光刻出复杂结构的制膜模板，本方法只需要简单弧形凹坑制膜钢板和砂纸，并采用压合制膜的方式制作出用于触觉传感的结构层，制作方式简便且成本低廉，相比于传统触觉传感器内的互锁内微结构，本方法制备的传感器采用单面内微触觉结构，基于单面内微触觉结构的传感器带有凸起结构的pdms基底，使传感器应用于识别纹理三维信息时可避免互锁内微结构错位所产生压阻特性差异，提高了识别纹理三维信息的准确度和稳定性。

技术特征：

1.一种基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法，其特征在于，所述剥离所述制膜钢板得到pdms基底之前，所述方法还包括：将所述pdms预聚体层置于80-100℃的温度环境下进行固化。

3.根据权利要求1所述的基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法，其特征在于，所述将gpc墨水浇筑于所述ito-pet层的上表面并涂匀形成gpc层之前，所述方法还包括：将pi胶带附着于所述ito-pet层的侧边缘，用于测量所述gpc层的形成高度。

4.根据权利要求1所述的基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法，其特征在于，所述凸起结构高度为1-3mm，所述凸起结构宽度为2-6mm。

5.根据权利要求1所述的基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法，其特征在于，所述砂纸的目数为60-240。

6.一种基于单面内微触觉结构的传感器，其特征在于，所述传感器采用如权利要求1-5任一项所述的基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法制造得到，所述复合传感结构层包括所述pdms基底、所述第一传感结构层以及所述第二传感结构层，所述第一传感结构层与所述第二传感结构层的侧边缘上设置柔性绝缘层，所述第二传感结构层朝向所述pdms基底的一侧表面上形成第一柔性衬底以及第一柔性电极，所述第一传感结构层远离所述第二传感结构层的一侧表面上形成第二柔性电极以及第二柔性衬底；所述传感器还包括封装固定于所述复合传感结构层边缘的pi胶带。

7.根据权利要求6所述的基于单面内微触觉结构的传感器，其特征在于，所述第一柔性衬底以及所述第二柔性衬底的厚度为6-50μm。

8.根据权利要求6所述的基于单面内微触觉结构的传感器，其特征在于，所述第一传感结构层以及第二传感结构层厚度为200-400μm，其中，所述第二传感结构层设置有接触传感内微结构。

9.根据权利要求6所述的基于单面内微触觉结构的传感器，其特征在于，所述pdms基底采用聚二甲基硅氧烷弹性体与固化剂混合得到的pdms预聚体固化制成。

10.根据权利要求6所述的基于单面内微触觉结构的传感器，其特征在于，所述第一传感结构层以及所述第二传感结构层采用pdms预聚体与石墨烯粉末混合得到的gpc墨水制成，所述石墨烯粉末在所述gpc墨水中的质量占比为15-45％。

11.根据权利要求10所述的基于单面内微触觉结构的传感器，其特征在于，所述pdms预聚体采用聚二甲基硅氧烷弹性体与固化剂混合制得，所述聚二甲基硅氧烷弹性体与所述固化剂的质量之比为5:1。

技术总结
本发明公开了一种基于单面内微触觉结构的传感器的制备方法，包括将PDMS预聚体层旋涂于制膜钢板中设置有弧形凹坑的一侧表面上并将PET层压合于PDMS预聚体层上得到PDMS基底，将GPC墨水涂匀浇筑于ITO‑PET层的上表面形成GPC层，将PET层的一侧表面压合于GPC层上得到第一传感结构层；将GPC墨水涂匀浇筑于ITO‑PET层的上表面形成GPC层得到第二传感结构层，第二传感结构层的一侧表面上形成与砂纸对应的接触传感内微结构；将第一传感结构层、第二传感结构层以及PDMS基底依次自上而下叠放形成复合传感结构层，复合传感结构层用于接触传感。本方法能够低成本且高效的制备基于单面内微触觉结构的传感器，提高传感器内触觉传感结构识别纹理三维信息的准确度和稳定性。

技术研发人员：闫岩,林伟滨,孙启军,邱瑞雪,张猛
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12