CN107664545A - 一种以天然微结构为模板的电容型柔性压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种电容型的压力传感器，采用“夹心三明治”结构，表层为驱动电极，底层为感应电极，中间层采用弹性材料；弹性材料的上下表面具有天然材料表面的立体纹路；弹性材料为聚氨酯弹性体材料、交联过的橡胶材料。天然材料表面为植物叶片、织物、一定粗糙度的木、石纹、磨砂玻璃、皮肤纹路或砂纸。弹性材料的厚度为0.3mm以上。本发明利用荷叶、丝绸织物、及其毛玻璃等微结构表面作为模板使介电层微结构化、并利用喷涂的银纳米线层作为电极的柔性压力传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其是柔性压力传感器或电子皮肤的设计。
背景技术
在科学技术日新月异的21世纪，生物力学和医学工程是一门新兴的交叉学科，新材料是发展快、潜力大、应用范围广的热门研究领域。电子皮肤是将新材料技术应用于生物力学和医学工程的产物。对于无论是广泛应用的机械手、机械臂，还是日益流行的可穿戴电子设备，或是临床医学的人类皮肤替代物，由压力传感器和其他传感器集合而成的电子皮肤都是重要元件。为了满足这些应用的需求，研制高灵敏度、高柔性、优良弹性、大规模集成、高空间分辨率的压力传感器已成为电子皮肤的重要发展方向。
近年来，随着世界范围内对于电子皮肤的研究的拓展和深入，有许多新的电子皮肤的设计被提出，但是很多由于器件缺乏机械柔性、弹性、机械强度，或是由于制备器件的工艺过程过于复杂、成本过高，都难以满足上述应用的需求。为了准确便捷地测量在实际应用情况下电子皮肤表面的应力分布，必须设计适用于压力测量的新型电子皮肤。
电子皮肤(Electronic Skin)与人造皮肤(Artificial Skin)有区别，后者只包含用于医学的皮肤替代物，而前者则包含更多具有与皮肤相似的性质的电子元件，目前国际上对其尚无统一的定义。本文认为，电子皮肤是一种利用传感器技术和新材料技术制作的能够模仿人类皮肤保护和感知等功能的电子原件或集成电路。首先，电子皮肤应该像人类皮肤一样具有柔性，即可以任意弯曲变形而性能不受显著影响，且厚度应该在理想范围内(小于1cm)；其次电子皮肤应该具有灵敏性，即既可以探测微小的压力变化，压力的空间分辨率也应该足够高；最后，电子皮肤还应该具有一定的机械强度，能够像人类皮肤一样保护内部结构。
早在1991年，T.R.Jensen[1]等和E.S.Kolesar[2]等就研制出了用于机器人的具有触觉功能的电子皮肤。该电子皮肤利用传感器组成的传感器阵列测量压力，但是其可靠性和稳定性无法满足使用需求。2004年，日本东京大学T.Sorneya课题组报道了一块具有触觉功能的柔性电子皮肤[3]。该电子皮肤将微型橡胶电阻传感器拉制成分子半导体晶体大小并制作到衬底材料上，传感器形成阵列制作成可改变形状的柔性电子皮肤，被用于机器人且能够同时测量压力和温度[4]。由于采用了多晶技术，该电子皮肤非常薄，且弯曲并不会显著影响其性能。该电子皮肤的缺点是由于采用了电阻式压力传感器，为了达到弯曲的效果牺牲了响应水平。
2010年，美国斯坦福大学的鲍哲楠教授及其研究团队在英国权威杂志《Naturematerials》上发表了一种基于柔性电容式压力传感器的电子皮肤的设计[5]。该电子皮肤以蒸镀了氧化铟锡的塑料薄膜为电极，聚二甲基硅氧烷(PDMS)为介电层。通过对聚二甲基硅氧烷表面进行微结构处理使之表面形成柱状或者金字塔形状，增加了它对压力的敏感度。次年，该研究团队再次发表了一种基于碳纳米管薄膜的电容式压力传感器的电子皮肤[6]。传感器将碳纳米管(CNT)附着在柔性底板上，取代了之前蒸镀了金属氧化物的薄膜。虽然此处使用纳米材料的尝试没有解决所有问题，但这无疑给了我们启发：在传统的设计中使用新兴材料，有时可以达到意想不到的效果。在电容式压力传感器中，由于纳米导电材料的纳米尺度效应，电极表面纳米材料区域浓度随压力会发生变化，且变化的大小与初始浓度有关。同时，由于纳米材料(此处为碳纳米管)的自身性质，制得的电子皮肤也具有更好的可拉伸性，在拉伸之后电极导电性不会发生减弱，甚至有所提高。这一性能的改变可以延长由压力传感器集成组成的电子皮肤的使用寿命。
文献研究结果表明，利用柔性传感器微结构提高其灵敏度在近5年成为研究的热点。美国斯坦福大学鲍哲楠教授2010年在Nature materials[5],2014年在Naturecommunications[8]发表文章，分别采用了微结构化的介电层材料和导电高分子材料作为传感器部件，制作了电容式和电阻式电子皮肤。韩国首尔大学Changhyun Pang等2012年在Nature materials表文章，利用具有互锁微结构的纳米纤维制成了电阻式应力传感器[13]。美国加大学伯克利分校Ali Javey教授带领的团队采用了基于光刻的微纳加工技术制备了电子皮肤传感器[14]。尽管对于器件微结构的研究取得了长足进展，但其微结构的构筑方式多采用基于硅基微电子的沉积、光刻等技术，成本高、能耗大且准入门槛高。因此，寻求一种适用于低能耗、大面积、高效率生产方式的新型制备技术成为柔性压力传感器的必然发展方向之一。中科院苏州纳米技术与纳米仿生所张挺研究员课题组2014年利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡胶复制丝绸的微结构，并利用碳纳米管制作电极，制得了一种电阻式应力传感器[16]，但是电容型的压力传感器还未见报道。
参考文献：
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发明内容
本发明目的是，提出一种电容型的压力传感器及其制备方法；利用聚氨酯弹性体(PU)复制丝绸、荷叶和磨砂玻璃的微结构，取代了传统微纳加工技术，制备了性能优异的电容型压力传感器。
本发明技术方案是，一种电容型的压力传感器，采用夹心三明治结构，表层为驱动电极，底层为感应电极，中间层采用弹性材料；弹性材料的上下表面具有天然材料表面的立体纹路；弹性材料为聚氨酯弹性体材料、交联过的橡胶材料。天然材料表面为植物叶片、织物、一定粗糙度的木、石纹、磨砂玻璃、皮肤纹路或砂纸。弹性材料的厚度为0.3mm以上。
电容型的压力传感器的制备方法，在天然材料作为模板(硅橡胶作为模板)的表面，在模板内上浇筑聚氨酯弹性体或交联橡胶，得到复制微结构的聚氨酯性体衬底；在得到聚氨酯弹性体衬底喷涂银纳米线得到上下电极，中间夹层采用具有弹性的Ecoflex树脂浇筑而成。当表层加载力时，中间层的弹塑性材料(聚氨酯弹性体材料)发生应变，从而引起驱动电极和感应电极之间的距离和重叠面积发生变化，根据输出电容的变化，达到检测加载的压力大小的目的，所复制的微纳结构起到增强传感器灵敏度的作用。
使用扫描电镜拍摄的聚氨酯弹性体衬底表面微结构，如图所示。
有益效果：本发明研究利用荷叶、丝绸织物、及其毛玻璃等微结构表面作为模板使介电层微结构化、并利用喷涂的银纳米线层作为电极的柔性压力传感器：本发明研究的透明且具有弹性的电子皮肤在人机交互***、机器人探测传感***和康复医学中具有广泛的潜在应用，因此受到了越来越多的关注。本发明采用简单的低成本工艺制备出具备透光性、高灵敏度和弹性可拉伸性质的压力传感器。透明且具有弹性的电子皮肤在人机交互***、机器人探测传感***和康复医学中具有广泛的潜在应用，因此受到了越来越多的关注。但是采用简单的低成本工艺制备出具备透光性、高灵敏度和弹性可拉伸性质的压力传感器仍然是一个难点。本发明解决了这个难点。
附图说明
图1为本发明衬底表面微结构；(a-c)仿磨砂玻璃负结构(三幅图三个放大倍数)；(d-f)仿丝绸负结构(三幅图三个放大倍数)；(g-i)仿荷叶负结构(三幅图三个放大倍数)。
图2不同表面微结构衬底对正压力响应水平的影响。
具体实施方式
天然材料表面为植物叶片、织物、一定粗糙度的木、石纹、磨砂玻璃、皮肤纹路或砂纸。弹性材料以PU更高，厚度为0.4-0.8mm。
所述的电容型的压力传感器的制备方法，在所述天然材料作为模板的表面花纹，模板可以采用硅橡胶材料制备，模板表面具体有天然材料的花纹，在硅橡胶转移的表面花纹的模板内上浇筑聚氨酯弹性体或交联橡胶，得到复合微结构的聚氨酯性体衬底；在得到聚氨酯弹性体衬底喷涂银纳米线得到上下电极，中间夹层采用具有聚氨酯弹性体(弹性的Ecoflex树脂)浇筑而成。当表层加载力时，中间层的聚氨酯弹塑性材料(Ecoflex树脂为聚氨酯弹性体材料)发生应变，从而引起驱动电极和感应电极之间的距离和重叠面积发生变化，根据输出电容的变化，达到检测加载的压力大小的目的，所复制的微纳结构起到增强传感器灵敏度的作用。
如图所示，试验验证，分别使用之前表面微结构处理过的衬底和直接在培养皿下表面上制得的底板做对比试验，各喷涂8ml的银纳米线溶液并用弹性体薄膜隔开电极。与无微结构样品相比，具有微纳结构的样品所获得的灵敏度增强的数据如图2所示。
试验表明，基于具有表面微结构的衬底的柔性压力传感器有更高的正压力响应水平，且对于5000Pa以内的微小压力尤为明显。这可能是因为当压力较小时，表面微结构较为完整，可以发生的变化较大；压力较大时，表面结构已经接近柱体，对于压力不敏感。选用银纳米线材料替代传统金属箔或近年来大量使用的碳纳米管作为电极的效果更好；借助生活中常见的丝绸、荷叶和磨砂玻璃等材料制备有表面微结构的衬底柔性压力传感器对正压力的响应水平，即对于相同大小的正压力变化，输出电容值的变化得到了增益。
Claims (6)
1.一种电容型的压力传感器，其特征是采用”夹心三明治”结构，表层为驱动电极，底层为感应电极，中间层采用弹性材料；弹性材料的上下表面具有天然材料表面的立体纹路；弹性材料为聚氨酯弹性体材料、交联过的橡胶材料。
2.根据权利要求1所述的电容型的压力传感器，其特征是天然材料表面为植物叶片、织物、一定粗糙度的木、石纹、磨砂玻璃、皮肤纹路或砂纸。
3.根据权利要求1所述的电容型的压力传感器，其特征是弹性材料的厚度为0.3mm以上。
4.根据权利要求1所述的电容型的压力传感器，其特征是弹性材料的厚度为0.4-0.8mm。
5.根据权利要求1所述的电容型的压力传感器，其特征是银纳米线材料为作为电极。
6.根据权利要求1-6所述的电容型的压力传感器的制备方法，其特征是在所述天然材料作为硅橡胶模板的表面，在模板内上浇筑聚氨酯弹性体或交联橡胶，得到复制微结构的聚氨酯性体衬底；在得到聚氨酯弹性体衬底喷涂银纳米线得到上下电极，中间夹层采用具有弹性的Ecoflex树脂浇筑而成。
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