CN107515061A - 一种触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种触觉传感器及其制备方法，属于传感器技术领域，其可解决现有的触觉传感器漂移、滞后、灵敏度不高的问题。本发明的触觉传感器中，由纳米导线构成的压阻触觉单元均匀排布，当触觉传感器上表面接触外界物体后，纳米导线自身的长度减小，从而引起自身电阻减小，导致流过的电流变大。测量反馈电流的变化，从而感知外部压力的信息，依据纳米导线反馈的外部信息，可以得到整体的外部信息。由于压阻触觉单元均匀排布，因此可以避免传感器漂移和滞后的现象，提高了触觉灵敏度和分辨精度。

Description

一种触觉传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种触觉传感器及其制备方法。
背景技术
机器人***需要各种各样的传感器来从环境中获取相关的反馈信息。由于机器人视觉***造价昂贵，控制复杂，而且在暗环境下或者有障碍物时无法获得视觉信息，此时触觉传感器对于机器人获取触觉感知能力就具有重要意义。触觉传感器不仅可以获取机器人的手与物体的接触位置以及接触力的分布函数，而且可以获取视觉无法获取的物体信息，如震动特性，热传递特性，机械特性等，同时触觉也是人与机器人进行交流的一种常用方式。
发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有的触觉传感器例如高密度压力式触觉传感器的结构如图1所示，这种触觉传感器是以含有导电炭黑颗粒的橡胶为敏感元件，当触头接触外界物体后，导电橡胶受到压力作用，使得导电颗粒间的距离发生变化，引起电阻发生变化，从而导致流经上下导电橡胶的电流发生变化。这种传感器的缺点是由于导电橡胶内导电颗粒分布不均，而会出现漂移和滞后的现象，导致触摸灵敏度不高，同时这种触觉传感器对外部的信息反馈也比较单一。
发明内容
本发明针对现有的触觉传感器漂移、滞后、灵敏度不高的问题，提供一种触觉传感器及其制备方法。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
一种触觉传感器，包括衬底，形成于衬底上的多个均匀排布的压阻触觉单元，所述压阻触觉单元包括相对设置的第一电极、第二电极，以及夹在第一电极、第二电极之间的多根纳米导线。
优选的是，所述第二电极相较于所述第一电极更靠近衬底设置，所述第一电极远离所述纳米导线的一面上设有用于触摸的柔性保护层。
优选的是，所述触觉传感器还包括与所述第二电极连接的检测单元，用于测量纳米导线电流、电阻或电压的变化。
优选的是，相邻的所述纳米导线之间相互绝缘。
优选的是，所述第一电极包括多根均匀排布的行电极，所述第二电极包括多根均匀排布的列电极，且行电极与列电极的延伸方向相互垂直。
优选的是，所述纳米导线的直径为10-300nm，在垂直于所述衬底的方向上，所述纳米导线的尺寸为0.5-50μm。
优选的是，所述第一电极由石墨烯材料构成，所述第二电极由ITO构成；所述纳米导线包括银金属纳米线、氧化锌纳米线。
优选的是，所述氧化锌纳米线是由稳定的六角纤锌矿结构的ZnO构成的柱形材料。
本发明还提供一种触觉传感器的制备方法，包括以下制备步骤：
在衬底上形成多个均匀排布的第二电极；
在第二电极上形成多根纳米导线；
在纳米导线上形成第一电极。
优选的是，所述形成多根纳米导线是采用高分子络合反应在第二电极上自组装形成多根纳米导线；或者
采用饱和蒸汽反应法制备形成多根纳米导线。
本发明的触觉传感器中，由纳米导线构成的压阻触觉单元均匀排布，当触觉传感器上表面接触外界物体后，纳米导线自身的长度减小，从而引起自身电阻减小，导致流过的电流变大。测量反馈电流的变化，从而感知外部压力的信息，依据纳米导线反馈的外部信息，可以得到整体的外部信息。由于压阻触觉单元均匀排布，因此可以避免传感器漂移和滞后的现象，提高了触觉灵敏度和分辨精度。
附图说明
图1为本发明的实施例1的触觉传感器的结构示意图；
图2-5为本发明的实施例2的触觉传感器的结构示意图；
图6为本发明的实施例3的触觉传感器的制备方法流程图；
其中，附图标记为：1、衬底；2、压阻触觉单元；21、第一电极；22、第二电极；23、纳米导线；3、柔性保护层；4、绝缘层；5、检测单元。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种触觉传感器，包括衬底1，如图1所示，包括衬底1，形成于衬底1上的多个均匀排布的压阻触觉单元2，所述压阻触觉单元2包括相对设置的第一电极21、第二电极22，以及夹在第一电极21、第二电极22之间的多根纳米导线23。
本实施例的触觉传感器中，由纳米导线23构成的压阻触觉单元2均匀排布，当触觉传感器上表面接触外界物体后，纳米导线23自身的长度减小，从而引起自身电阻减小，导致流过的电流变大。测量反馈电流的变化，从而感知外部压力的信息，依据纳米导线23反馈的外部信息，可以得到整体的外部信息。由于压阻触觉单元2均匀排布，因此可以避免传感器漂移和滞后的现象，提高了触觉灵敏度和分辨精度。
实施例2：
本实施例提供一种触觉传感器，如图2-5所示，包括衬底1和设于衬底1上的压阻触觉单元2。压阻触觉单元2包括第一电极21、第二电极22以及第一电极21、第二电极22之间的多根纳米导线23。第一电极21包括多根均匀排布的行电极，第二电极22包括多根均匀排布的列电极，行电极与列电极交叉设置，且行电极与列电极的延伸方向相互垂直。纳米导线23的一端与第一电极21连接，另一端与第二电极22连接。
在本实施例对应的附图2中，显示了由第一电极21、第二电极22以及夹在第一电极21、第二电极22之间的多根纳米导线23构成的压阻触觉单元2在衬底1上的设置关系。附图所示各电极的大小、厚度等仅为示意。具体的，纳米导线23的两端分别连接第一电极21、第二电极22，条状的第一电极21、第二电极22均匀排布，相当于纳米导线23是均匀排布的，这就解决了现有的导电橡胶式触觉传感器漂移和滞后的问题。
作为本实施例中的一种优选实施方案，所述第一电极21由石墨烯材料构成，所述第二电极22由ITO构成。
需要说明的是，与纳米导线23底部相连接的第二电极22可以使用ITO材料，或者其他适合于纳米导线23生长的导电性材料，这类导电性材料便于进行刻蚀微加工即可。与纳米导线23顶部相连接的第一电极21采用具有良好的导电、透光、可弯曲特性的石墨烯。需要说明的是，附图中生长一根纳米导线23的情况仅为示意说明，具体的，由ITO构成的第二电极22的每一个阵列单元上，可以生长多根纳米导线23。
在一个实施例中，所述触觉传感器还包括与所述第二电极22连接的检测单元5，用于测量纳米导线23电流、电阻或电压的变化。
在本实施例对应的附图5中，显示了压阻触觉单元2与检测单元5的连接关系，当触觉传感器与上表面与物体接触时，接触物所施加的外力通过第一电极21传递到敏感的纳米导线23上，压阻触觉单元2等效为一个可变电阻器，根据检测单元5检测的电阻值的变化大小以及电阻值改变的分布状况，就可以得到压力的大小以及对应的压力分布情况。
在一个实施例中，相邻的所述纳米导线23之间相互绝缘。且第一电极21远离所述纳米导线23的一面上设有用于触摸的柔性保护层3。
在本实施例对应的附图2、图4、图5中，添加了覆盖压阻触觉单元2的绝缘层4，以使相邻的所述纳米导线23之间相互绝缘。此外，第一电极21上设置的柔性保护层3用于保护第一电极21。
作为本实施例中的一种可选实施方案，所述纳米导线23的直径为10-300nm，在垂直于所述衬底1的方向上，所述纳米导线23的尺寸为0.5-50μm。
也就是说，单根纳米导线23的直径在100nm左右，长度在1μm左右，压阻触觉单元2虽然由多根纳米线构成，但是得到的纳米导线23阵列传感器的尺寸仍然可以处于微米量级。由于纳米导线23阵列可以准确地感受到来自不同方向的压力，因此这种触觉传感器具有较高的触感灵敏度。可以理解的是，当采用不同的制备方法制备纳米导线23时，得到的纳米导线23的直径和长度差别较大，一般纳米导线23的尺寸会在上述范围内。
优选的是，所述纳米导线23包括银金属纳米线、氧化锌纳米线。
其中，纳米导线23可以是ZnO纳米线材料，还可以由Ag金属纳米线替代，采用饱和蒸汽反应法制备的Ag金属纳米线与衬底1很好的垂直，且Ag纳米线的长度可控，制备温度低，相较于其他纳米线Ag金属纳米线的电阻更低，对应触觉传感器的功耗会更低。
优选的是，所述氧化锌纳米线是由六角纤锌矿结构的ZnO构成的柱形材料。
其中，六角纤锌矿结构的ZnO构成的柱形材料十分稳定，利用化学自组装的方法所制备的ZnO纳米线可以均匀分布在触觉传感器中，这种ZnO纳米线阵列触觉传感器克服了导电橡胶式传感器漂移和滞后的缺点，反馈的触觉信息更加精确。
实施例3：
本实施例提供一种触觉传感器的制备方法，如图2-6所示，包括以下制备步骤：
S01a、在衬底1上形成多个均匀排布的第二电极22；
具体的，可以在衬底1上沉积一层ITO，将其图案化后形成第二电极22。
S01b、可选的，S01a步骤后还包括形成绝缘层4的步骤；
其中，绝缘层4的作用是使得后续形成的相邻的所述纳米导线23之间相互绝缘。具体的，可以先在完成上述步骤的衬底1上覆盖绝缘层4，然后再将绝缘层4中对应第二电极22上预设置纳米导线23的位置的绝缘层4除掉。
S02、在第二电极22上形成多根纳米导线23；
具体的，在此给出两种形成纳米导线23的具体方法，第一种是可以采用高分子络合反应在第二电极22上自组装形成多根纳米导线23；第二种是采用饱和蒸汽反应法制备形成多根纳米导线23。
其中，利用化学反应自组装法以含有极性基团高分子长链作为自组装网络，利用高分子络合反应在衬底1上自组装形成分布均匀的ZnO纳米线。ZnO纳米线作为触觉传感器的敏感元件，当触觉传感器上表面接触外界物体后，ZnO纳米线自身的长度减小，从而引起自身电阻减小，导致流过的电流变大。测量反馈电流的变化，从而感知外部压力的信息，依据每根ZnO纳米线反馈的外部信息，可以得到整体的外部信息。ZnO纳米线是由稳定的六角纤锌矿结构的ZnO构成的柱形材料，利用化学自组装的方法所制备的ZnO纳米线可以均匀分布在触觉传感器中，这种ZnO纳米线阵列触觉传感器克服了导电橡胶式传感器漂移和滞后的缺点，反馈的触觉信息更加精确。
更具体的，第一种方法可以采用高分子络合和低温氧化烧结反应，以聚乙烯醇(PVA)高分子材料作为自组装络合载体来控制晶体成核和生长。首先通过PVA侧链上均匀分布的极性基团羟基(—OH)与锌盐溶液中的Zn2+离子发生络合作用。然后滴加氨水调节络合溶液pH值为8.5±0.1使络离子Zn2+转变为Zn(OH)2，再将衬底1浸入此溶液中从而在衬底1表面得到较均匀的Zn(OH)2纳米点，随后在125℃左右Zn(OH)2纳米点通过热分解转化为ZnO纳米点其后在420℃烧结过程中衬底1上的ZnO纳米点在PVA高分子网络骨架对其直径的限域下逐渐取向生长成ZnO纳米线。
ZnO纳米线在衬底1上分布均匀，具有六方纤锌矿结构，并且大多沿方向择优取向生长，直径为100nm，长度为1μm。
S03、在纳米导线23上形成第一电极21。
具体的，第一电极21可以使用石墨烯材料，石墨烯具有良好的导电、透光、可弯曲特性，适合用作第一电极21。
S04、可选的，S03步骤后还包括形成柔性保护层3的步骤，柔性保护层3可以由橡胶或其他柔性材料组成。
显然，上述各实施例的具体实施方式还可进行许多变化；例如：各电极的具体尺寸可以根据实际需要进行改变；各结构层的具体材料等可以根据实际需要进行调整。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种触觉传感器，其特征在于，包括衬底，形成于衬底上的多个均匀排布的压阻触觉单元，所述压阻触觉单元包括相对设置的第一电极、第二电极，以及夹在第一电极、第二电极之间的多根纳米导线。
2.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述第二电极相较于所述第一电极更靠近衬底设置，所述第一电极远离所述纳米导线的一面上设有用于触摸的柔性保护层。
3.根据权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于，所述触觉传感器还包括与所述第二电极连接的检测单元，用于测量纳米导线电流、电阻或电压的变化。
4.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，相邻的所述纳米导线之间相互绝缘。
5.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述第一电极包括多根均匀排布的行电极，所述第二电极包括多根均匀排布的列电极，且行电极与列电极的延伸方向相互垂直。
6.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述纳米导线的直径为10-300nm，在垂直于所述衬底的方向上，所述纳米导线的尺寸为0.5-50μm。
7.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述第一电极由石墨烯材料构成，所述第二电极由ITO构成；所述纳米导线包括银金属纳米线、氧化锌纳米线。
8.根据权利要求7所述的触觉传感器，其特征在于，所述氧化锌纳米线是由稳定的六角纤锌矿结构的ZnO构成的柱形材料。
9.一种触觉传感器的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
在衬底上形成多个均匀排布的第二电极；
在第二电极上形成多根纳米导线；
在纳米导线上形成第一电极。
10.根据权利要求7所述的触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述形成多根纳米导线是采用高分子络合反应在第二电极上自组装形成多根纳米导线；或者
采用饱和蒸汽反应法制备形成多根纳米导线。
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