一种柔性隔离传感阵列及其制造方法

本发明涉及柔性传感技术，具体涉及一种柔性隔离传感阵列及其制造方法。

背景技术：

1、在实际应用中，柔性触觉传感器需要同时监测多个受力位置的接触信号，为此，往往采用阵列的形式来制造触觉传感器。代表性的阵列制备方法是使上下电极形成线条或岛状图案。当对传感阵列施加压力时，可以通过比较每个传感单元的输出信号来检测所施加压力的大小和位置。然而，基于排和列电极的设计可能引起相邻传感单元之间的串扰。

2、由于传感单元之间的串扰不可避免地会降低触觉传感器的检测准确性，人们提出了各种技术来避免其影响。例如，使用有源矩阵来对触觉传感器阵列所得信号进行后处理，从而有效地消除了串扰，但它需要复杂的电路和大量电子元件；通过几何设计来减小串扰的影响，如手动将内部穿孔的各个传感单元连接到电极上，形成阵列配置，使传感单元之间处于电隔离状态，有效消除电串扰，然而，生成大范围的阵列需要较大的工作量；在传感材料中插入凹槽，以最大限度地减小相邻传感单元之间的串扰，然而，传感单元之间仍然是电连接的，存在少量漏电。因此，通过可扩展和低成本的制造方法来生产大面积和无串扰的触觉传感器阵列是具有挑战性的。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种柔性隔离传感阵列，其信号稳定且无串扰。

2、本发明的另一目的在于提供一种柔性隔离传感阵列的制造方法，以实现大面积制造传感阵列。

3、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案。

4、一种柔性隔离传感阵列，包括柔性传感基片、电极阵列和柔性保护膜。电极阵列包括横向导电膜、纵向导电膜、电阻块阵列和柔性底片。柔性保护膜包括上柔性保护膜和下柔性保护膜。柔性传感基片的下表面设置有凹陷式微结构，微结构的凹陷区的表面有导电层，微结构的棱边不导电，因此凹陷式微结构彼此之间处于电隔离状态。横向导电膜、纵向导电膜和电阻块阵列均粘附在柔性底片上，横向导电膜和纵向导电膜上下错开穿过电阻块阵列；柔性传感基片的下表面与电阻块阵列的上表面接触，上柔性保护膜和下柔性保护膜分别贴紧在柔性传感基片的上表面和柔性底片的下表面上。电阻块与柔性传感基片下表面的对应区域接触构成一个传感单元。

5、本发明柔性隔离传感阵列的工作原理如下所述。当柔性隔离传感阵列未受压力时，柔性传感基片的凹陷式微结构的不导电棱边与电阻块阵列接触，此时传感单元的电阻值为单个电阻块的电阻值，因此传感单元的初始电阻较稳定。当传感阵列的传感单元受压力作用时，微结构的导电凹陷区发生形变，其开始与电阻块接触，使微结构凹陷区的部分电阻并入电阻块；接触面积随压力的提高而增加，从而降低传感单元的电阻值。凹陷式微结构彼此之间是电隔离的，这意味着传感阵列上相邻传感单元之间也是电隔离的，即传感单元之间不会发生漏电现象，从而相邻传感单元之间不发生串扰。

6、作为一种优选，凹陷式微结构特征的形状为金字塔、圆锥体、半球形、四面体或碗状。

7、作为一种优选，柔性底片、上柔性保护膜和下柔性保护膜的材料为柔性耐热耐腐蚀的薄膜，优选地，柔性耐热耐腐蚀的薄膜材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯或聚丙烯。

8、作为一种优选，柔性隔离传感阵列的传感单元在未受压力和受压力时电阻的极差和标准差均很小，表现出良好的信号稳定性。

9、作为一种优选，传感单元之间无串扰的特性使柔性隔离传感阵列可精确识别物体的形状。

10、作为一种优选，柔性传感基片和电极阵列的制备工艺简单、易操作，可实现批量、大面积制备。

11、一种柔性隔离传感阵列的制造方法，包括柔性传感基片的制造和电极阵列的制造。

12、作为一种优选，柔性传感基片的制造过程包括如下步骤。(1)利用表面带凸微结构的模板，采用注射压缩成型、模压成型、辊压成型、旋涂固化或紫外光固化工艺制备表面有凹陷式微结构的柔性基片；(2)通过离子溅射、沉积或喷涂工艺在微结构的表面形成导电层，之后去除微结构棱边上的导电层，使微结构凹陷区彼此之间电隔离，得到柔性传感基片。

13、作为一种优选，步骤(1)中柔性基片的材料为聚氨酯弹性体、乙烯-辛烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氨酷丙烯酸酯、硅橡胶或光敏树脂。步骤(2)中导电层的材料为导电金属、聚吡咯、碳纳米管、石墨烯或过渡金属碳化物。

14、作为一种优选，电极阵列的制造过程包括如下步骤。(1)在柔性底片上粘附一层掩膜，掩膜上开设n条横向细长孔，经过印刷、干燥导电银浆后移除掩膜，在柔性底片上得到n条横向导电膜；(2)在步骤(1)所得的柔性底片上粘附一层掩膜，掩膜上开设n×n个方形孔或圆孔，方形孔或圆孔重叠在横向导电膜上面，经过印刷、干燥胶态石墨后移除掩膜，在柔性底片上得到电阻块阵列的下半层；(3)将步骤(1)中使用过的掩膜旋转90°粘附在步骤(2)所得的柔性底片上，经过印刷、干燥导电银浆后移除掩膜，在柔性底片上得到n条纵向导电膜；(4)在步骤(3)所得的柔性底片上粘附一层步骤(2)使用过的掩膜，掩膜的方形孔或圆孔重叠在纵向导电膜上面，经过印刷、干燥胶态石墨后移除掩膜，得到电阻块阵列的上半层。

15、本发明相对于现有技术具有如下优点：

16、(1)本发明中特殊的隔离结构使传感阵列采集的信号稳定，传感单元之间不发生串扰，无需采用放大器或其它信号处理电路即可实现压力传感器的多点实时测量压力分布的功能。

17、(2)本发明中柔性传感基片和电极阵列的制备工艺简单、易操作，可实现批量、大面积制备，易于在工业中推广，应用前景广阔。

技术特征：

1.一种柔性隔离传感阵列，其特征在于，包括柔性传感基片、电极阵列和柔性保护膜；电极阵列包括横向导电膜、纵向导电膜、电阻块阵列和柔性底片；柔性保护膜包括上柔性保护膜和下柔性保护膜；柔性传感基片的下表面设置有凹陷式微结构，微结构的凹陷区的表面有导电层，微结构的棱边不导电，因此凹陷式微结构彼此之间处于电隔离状态；横向导电膜、纵向导电膜和电阻块阵列均粘附在柔性底片上，横向导电膜和纵向导电膜上下错开穿过电阻块阵列；柔性传感基片的下表面与电阻块阵列的上表面接触形成传感单元阵列，上柔性保护膜和下柔性保护膜分别贴紧在柔性传感基片的上表面和柔性底片的下表面上；电阻块与柔性传感基片下表面的对应区域接触构成一个传感单元。

2.根据权利要求1所述的一种柔性隔离传感阵列，其特征在于，柔性隔离传感阵列的工作原理如下所述：当柔性隔离传感阵列未受压力时，柔性传感基片的凹陷式微结构的不导电棱边与电阻块阵列接触，此时传感单元的电阻值为单个电阻块的电阻值，因此传感单元的初始电阻较稳定；当传感阵列的传感单元受压力作用时，微结构的导电凹陷区发生形变，其开始与电阻块接触，使微结构凹陷区的部分电阻并入电阻块；接触面积随压力的提高而增加，从而降低传感单元的电阻值；凹陷式微结构彼此之间是电隔离的，这意味着传感阵列上相邻传感单元之间也是电隔离的，即传感单元之间不会发生漏电现象，从而相邻传感单元之间不发生串扰。

3.根据权利要求1所述的一种柔性隔离传感阵列，其特征在于，凹陷式微结构特征的形状为金字塔、圆锥体、半球形、四面体或碗状。

4.根据权利要求1所述的一种柔性隔离传感阵列，其特征在于，柔性底片、上柔性保护膜和下柔性保护膜的材料为柔性耐热耐腐蚀的薄膜，优选地，柔性耐热耐腐蚀的薄膜材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯或聚丙烯。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的一种柔性隔离传感阵列，其特征在于，在未受压力和受压力时柔性隔离传感阵列的传感单元电阻的极差和标准差均很小，表现出良好的信号稳定性。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的一种柔性隔离传感阵列，其特征在于，传感单元之间无串扰的特性使柔性隔离传感阵列可精确识别物体的形状。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的一种柔性隔离传感阵列，其特征在于，柔性传感基片和电极阵列的制备工艺简单、易操作，可实现批量、大面积制备。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的柔性隔离传感阵列的制造方法，其特征在于，柔性传感基片的制造过程包括如下步骤：(1)利用表面带凸微结构的模板，采用注射压缩成型、模压成型、辊压成型、旋涂固化或紫外光固化工艺制备表面有凹陷式微结构的柔性高分子材料基片；(2)通过离子溅射、沉积或喷涂工艺在微结构的表面形成导电层，之后去除微结构棱边上的导电层，使微结构凹陷区彼此之间电隔离，得到柔性传感基片。

9.根据权利要求8所述的柔性隔离传感阵列的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，柔性基片的材料为聚氨酯弹性体、乙烯-辛烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氨酷丙烯酸酯、硅橡胶或光敏树脂；步骤(2)中，导电层的材料为导电金属、聚吡咯、碳纳米管、石墨烯或过渡金属碳化物。

10.根据权利要求1～7中任一项所述的柔性隔离传感阵列的制造方法，其特征在于，电极阵列的制造过程包括如下步骤：(1)在柔性底片上粘附一层掩膜，掩膜上开设n条横向细长孔，经过印刷、干燥导电银浆后移除掩膜，在柔性底片上得到n条横向导电膜；(2)在步骤(1)所得的柔性底片上粘附一层掩膜，掩膜上开设n×n个方形孔或圆孔，方形孔或圆孔重叠在横向导电膜上面，经过印刷、干燥胶态石墨后移除掩膜，在柔性底片上得到电阻块阵列的下半层；(3)将步骤(1)中使用过的掩膜旋转90°粘附在步骤(2)所得的柔性底片上，经过印刷、干燥导电银浆后移除掩膜，在柔性底片上得到n条纵向导电膜；(4)在步骤(3)所得的柔性底片上粘附一层步骤(2)使用过的掩膜，掩膜的方形孔或圆孔重叠在纵向导电膜上面，经过印刷、干燥胶态石墨后移除掩膜，得到电阻块阵列的上半层。

技术总结
本发明公开一种柔性隔离传感阵列及其制造方法，包括柔性传感基片、电极阵列和柔性保护膜。电极阵列包括横向导电膜、纵向导电膜、电阻块阵列和柔性底片；柔性保护膜包括上柔性保护膜和下柔性保护膜。柔性传感基片的下表面设置有凹陷式微结构，微结构的凹陷区的表面有导电层，微结构的棱边不导电，因此凹陷式微结构彼此之间处于电隔离状态。横向导电膜、纵向导电膜和电阻块阵列均粘附在柔性底片上，横向导电膜和纵向导电膜上下错开穿过电阻块阵列。柔性传感基片的下表面与电阻块阵列的上表面接触。本柔性隔离传感阵列信号稳定且无串扰，制备工艺简单，可实现大面积制备，易于在工业中推广。

技术研发人员：黄汉雄,苏逢春
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27