CN110174196B - 多应力传感的自驱动复合传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多应力传感的自驱动复合传感器，包括：基底；电极层，位于基底之上，包含：分区电极阵列，该分区电极阵列由至少两个电极单元构成；以及第一微型毛刺阵列，分布于电极单元的上表面；以及介电层，与电极层相对设置，包含：介电层基底；以及第二微型毛刺阵列，分布于介电层基底的下表面；其中，电极层与介电层相贴合，第一微型毛刺阵列与第二微型毛刺阵列呈交叉分布状态，并且每个电极单元的第一微型毛刺阵列具有未被介电层上的第二微型毛刺阵列覆盖的部分。该自驱动复合传感器可同时表征复合作用力中正向力和切向力的大小、作用位置、以及方向等，毛刺的形变还有助于对微弱的切向力进行有效的检测，提高了所检测力的范围和精度。

Description

多应力传感的自驱动复合传感器

技术领域

本公开属于摩擦纳米发电机及力的传感与检测领域，涉及一种多应力传感的自驱动复合传感器。

背景技术

随着全球日益增长的能源需求以及人们对传统能源保护开发的呼声日益高涨，寻找新的、可持续发展、且环境友好型的能源获取途径成为了各国科学家的关注和研究重点。在这一大的背景下，2012年佐治亚理工学院的王中林教授成功研制出摩擦纳米发电机。以摩擦起电和静电感应为基础，利用所设计的一系列结构的发电机对日常生产生活中的能量进行有效地收集和利用，开辟了能源再利用的新模式，目前该技术已得到大量的实践和应用。同时，由于摩擦纳米发电机无需依靠外部电源的自驱动特点，以其为基础的传感器设计和研究应用也成为了近年来的热点。尤其考虑到摩擦发电机器件的物理电学输出与外部作用物体相互间的关系，这种通过摩擦起电来实现自供能传感的器件很适用于人机交互、智能机器人等领域中被广泛使用的力学传感器的设计和制造上。

在力学传感器的设计中，为了模拟人的触觉，实现准确有效的传感信息交互，除要求所设计的力学传感器必须具有较高的灵敏度外，还需同时实现对正向压力以及切向力的同时检测。针对切向力的传感，不仅需要力学传感器可以辨识力的大小，而且还需要其能够判断力的方向。然而在目前基于摩擦纳米发电机的力学传感器研究中，大都是针对正向力的检测，对切向力特性的检测却没有得到充分的研究，相关的用于检测切向力的大小和方向的器件也处于开发不足的阶段。这在一定程度上限制了摩擦纳米发电机作为一款自驱动传感器在力的检测和传感技术领域的应用。因此，亟需开发出一种新型的自驱动力学传感器件，对外部施加的诸如正向力与切向力等作用力能够同时实现大范围、多方向的检测，这对于当下智能机器人、可穿戴一体化自驱动设备的发展具有重要作用，并在一定程度上缓解当前社会面临的能源紧缺与传统能源供给的污染问题，具有重要的经济效益和社会价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种多应力传感的自驱动复合传感器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种多应力传感的自驱动复合传感器，包括：基底；电极层，位于基底之上，包含：分区电极阵列，该分区电极阵列由至少两个电极单元构成；以及第一微型毛刺阵列，分布于电极单元的上表面；以及介电层，与电极层相对设置，包含：介电层基底；以及第二微型毛刺阵列，分布于介电层基底的下表面；其中，电极层与介电层相贴合，第一微型毛刺阵列与第二微型毛刺阵列呈交叉分布状态，并且每个电极单元的第一微型毛刺阵列具有未被介电层上的第二微型毛刺阵列覆盖的部分。

在本公开的一些实施例中，多应力传感的自驱动复合传感器，还包括：静电屏蔽层，设置于介电层的上表面。

在本公开的一些实施例中，电极单元与外电路或者地相连接。

在本公开的一些实施例中，基底的材料为柔性可拉伸材料；电极单元中的电极材料为柔性导电材料；介电层的材料为柔性介电材料。

在本公开的一些实施例中，基底的形状包括如下形状中的一种或其组合：正方形、圆形、矩形、多边形、以及不规则图形；和/或电极单元的形状包括如下形状中的一种或其组合：三角形、正方形、圆形、矩形、多边形、以及不规则图形。

在本公开的一些实施例中，第一微型毛刺阵列与第二微型毛刺阵列中单个毛刺的直径介于100μm～1000μm之间，各个毛刺相互之间的间隔介于100μm～1000μm之间；毛刺的平均高度介于1mm～2mm之间。

在本公开的一些实施例中，第一微型毛刺阵列与电极单元为同种材料，通过一体成型制备；或者第一微型毛刺阵列与电极单元单独制备，然后进行固定连接；第二微型毛刺阵列与介电层基底为同种材料，通过一体成型制备；或者第二微型毛刺阵列与介电层基底单独制备，然后进行固定连接。

在本公开的一些实施例中，第二微型毛刺阵列的整体形状尺寸小于分区电极阵列的整体平面尺寸。

在本公开的一些实施例中，静电屏蔽层接地；该静电屏蔽层的材料为柔性导电材料，厚度介于10μm～1000μm之间。

在本公开的一些实施例中，分区电极阵列中的每个个电极单元对应输出相应的电学信号，该电学信号同时表征正向力、切向力的大小、以及切向力的方向。

在本公开的一些实施例中，分区电极阵列包括4个电极，形成2×2阵列；或者，分区电极阵列中的多个电极单元沿着多边形或圆周排列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的多应力传感的自驱动复合传感器，具有以下有益效果：

(1)通过设置包含至少两个电极单元的分区电极阵列的电极层、以及与该分区电极阵列相对设置的介电层，形成了包含至少两个单电极模式的摩擦纳米发电机的自驱动复合传感器，并在分区电极阵列的电极上表面和介电层的下表面对应设置微型毛刺阵列，在该分区电极阵列结构的电极与介电层贴合后，保证每个电极单元的微型毛刺阵列具有一定宽度的未被介电层上的微型毛刺阵列覆盖的部分，位于其上的对应毛刺呈现交叉分布、相互咬合的状态，在外界正向力和切向力的作用下，介电层与电极层的接触状态、间距发生变化，毛刺对应产生形变或者介电层与电极层发生相对滑动，使得在不同区域的电极上的电势由于摩擦和感应效应会出现不同程度的变化以同时表征该复合作用力中正向力和切向力的大小、作用位置、以及方向等；

(2)此外，由于毛刺的形变能够灵敏的感知切向力的大小，尤其在切向力较小处于静摩擦阶段时，只有毛刺形变，不伴随介电层与电极层之间的相对滑动，使该自驱动复合传感器不仅实现了对正向压力以及切向力的同时检测，而且还有助于对微弱的切向力进行有效的检测，提高了所检测力的范围和监测精度；

(3)在该自驱动复合传感器的按压接触面上设置了静电屏蔽层，使其接地，有助于排除和避免外部环境和接触物体所带电荷对器件的干扰，提高检测结果的可靠性和器件的稳定性。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器的结构示意图。

图2为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器的原理示意图。

图3为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器在外部正压力均匀作用于器件上表面时对应正压强的大小与输出电压的关系曲线图。

图4为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器在正压力作用的基础上施加切向力，对应的切向力大小与输出电压的关系曲线图。

图5为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器对切向力的施加方向进行判别的一实例。

图6为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器对切向力的施加方向进行判别的另一实例。

【符号说明】

10-基底；

20-电极层；

21-分区电极阵列； 22-第一微型毛刺阵列；

30-介电层；

31-介电层基底； 32-第二微型毛刺阵列；

40-静电屏蔽层。

具体实施方式

本公开提供了一种多应力传感的自驱动复合传感器，通过设置包含至少两个电极单元的分区电极阵列的电极层、以及与该分区电极阵列相对设置的介电层，形成了包含至少两个单电极模式的摩擦纳米发电机的自驱动复合传感器，并在分区电极阵列的电极上表面和介电层基底的下表面对应设置微型毛刺阵列，在该分区电极阵列结构的电极与介电层贴合后，保证每个电极单元具有一定宽度的未被介电层上的微型毛刺阵列覆盖的边缘，位于其上的对应毛刺呈现交叉分布、相互咬合的状态，在外界正向力和切向力的作用下，介电层与电极层的接触状态、间距发生变化，毛刺对应产生形变或者介电层与电极层发生相对滑动，使得在不同区域的电极上的电势由于摩擦和感应效应会出现不同程度的变化以同时表征该复合作用力中正向力和切向力的大小、作用位置、以及方向等。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，“阵列的整体形状尺寸”指的是阵列的***形状对应的尺寸；“分区电极阵列的整体平面尺寸”指的是分区电极阵列的***尺寸。术语“介于之间”包含端点值。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种多应力传感的自驱动复合传感器。

图1为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器的结构示意图，其中，(a)为结构分解示意图；(b)为整体结构示意图。

参照图1中(a)和(b)所示，本公开的多应力传感的自驱动复合传感器，包括：基底10；电极层20，位于基底10之上，包含：分区电极阵列21，该分区电极阵列21由至少两个电极单元构成；以及第一微型毛刺阵列22，分布于电极单元的上表面；以及介电层30，与电极层20相对设置，包含：介电层基底31；以及第二微型毛刺阵列32，分布于介电层基底31的下表面；其中，电极层20与介电层30相贴合，第一微型毛刺阵列22与第二微型毛刺阵列32呈交叉分布状态，并且每个电极单元的第一微型毛刺阵列22具有未被介电层上的第二微型毛刺阵列32覆盖的部分。

优选的，参照图1中(b)所示，在介电层30的上表面还设置有静电屏蔽层40，在工作时使该静电屏蔽层40接地，有助于排除和避免外部环境和接触物体所带电荷对器件的干扰，提高检测结果的可靠性和器件的稳定性。

下面结合附图对本实施例的多应力传感的自驱动复合传感器的各个部分进行详细介绍。

本实施例中，基底10的材料为柔性可拉伸材料，优选硅胶类的材料，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)等；基底10的厚度可以为1mm～2mm，平面尺寸可以为数十个平方厘米或小于一平方厘米，最小尺寸可以在10平方毫米左右；基底的形状除方形外，也可以选择圆形、矩形、多边形、或其组合、以及不规则图形等其他形状。

分区电极阵列21包含至少两个电极单元，本实施例中，以2×2的矩阵分布进行示例，即分区电极阵列21由四个电极单元构成。电极单元的排布方式不局限于图示中的矩阵分布，还可以是三角形、多边形或圆周等排布方式。

本实施例中，电极单元中的电极材料为柔性导电材料，同时具备导电性能和拉伸性能，这里由电极层20和介电层30构成了单电极模式的摩擦纳米发电机，电极层20为正极。其中，正电极的材料由液态的PDMS和导电炭黑(CB)按照质量比10∶0.7均匀掺杂后固化获得。在本公开中，对于电极的材料选择不局限于本实施例，还可以选择其他聚合物或者硅胶衍生物与导电颗粒进行掺杂后得到同时具备导电和拉伸性能的复合材料；选择的其他聚合物或者硅胶衍生物的要求是：能和炭黑之类的导电材料相互混合，并且要求掺杂后获得的复合材料具有优异的拉伸性能和良好的导电性能；其中，炭黑材料也可以由其它导电颗粒替代，如金属纳米颗粒、金属纳米线、凝胶类材料等等。

视具体设计器件的大小和形状，每个电极单元的平面尺寸可以为几个平方厘米或小于一个平方厘米，电极单元的形状可以选择三角形、正方形、圆形、矩形、多边形、以及不规则图形、或其组合等等。

本实施例中，电极的上表面具有独特的第一微型毛刺阵列22的结构，第一微型毛刺阵列22的整体平面尺寸在几个平方厘米到十几个平方厘米左右，同基底10一样，毛刺具有良好的弹性和柔韧性。单个毛刺的直径介于100μm～1000μm之间，各个毛刺相互之间的间隔介于100μm～1000μm之间。本实施例中，单个毛刺的直径在几百微米左右，各个毛刺相互之间的间隔为几百微米，平均高度为1mm-2mm，视毛刺的具体直径而定。对此毛刺的形状不做特别限定，可以为锥形，也可以为柱形。

第一微型毛刺阵列22分布于电极单元的上表面，本实施例中，第一微型毛刺阵列22与电极单元为同种材料，通过一体成型制备，在其它实施例中，也可以是选用其它柔性导电材料作为第一微型毛刺阵列22，然后与电极单元进行固定连接。

本实施例中，介电层30的材料为柔性介电材料，可选择PDMS等电负性较强的柔性可拉伸材料。

本实施例中，介电层30与下方的电极贴合的表面同样分布有微型毛刺阵列结构，参照图1中(a)和(b)所示，即在介电层基底31的下表面分布有第二微型毛刺阵列32。该第二微型毛刺阵列32的整体形状尺寸视下方四个分区内的电极单元的形状和尺寸而定，原则上要小于分区电极阵列21的整体平面尺寸，贴合后要保证下部各个分区的电极单元外部边缘露出几毫米宽的区域，即每个电极单元保有一定宽度的未被介电层上的第二微型毛刺阵列32覆盖的边缘。从而保证电极层在切向力的作用下相对于介电层产生相对运动时，单一分区电极单元的毛刺阵列与介电层的毛刺相贴合重叠的面积大小会发生相应的改变。介电层表面的毛刺直径、高度以及分布密度应与电极层上的毛刺保持一致，并在贴合后使得上下两层的毛刺呈交叉分布状态。

第二微型毛刺阵列32分布于介电层基底31的下表面，本实施例中，第二微型毛刺阵列32与介电层基底31为同种材料，通过一体成型制备，在其它实施例中，也可以是选用其它柔性介电材料作为第二微型毛刺阵列32，然后与介电层基底31进行固定连接。

本实施例中，静电屏蔽层40的长宽尺寸与整体器件平面尺寸相匹配，厚度介于10μm～1000μm之间，本实施例中静电屏蔽层设置在几十至几百微米左右，视具体材料而定。

本实施例中，静电屏蔽层40使用的材料是PDMS与导电炭黑按照质量比10：1.5掺杂而得的复合材料，在其它实施例中，其他导电性极好的柔性可拉伸材料或类似复合材料同样可以被选用。

下面来介绍多应力传感的自驱动复合传感器的制作过程。

在制作器件时，在电极单元的下部光滑表面贴附并引出铜导线后，用液态PDMS将其粘附在柔性的基底上，进行固化处理使四个电极单元与基底粘合为一体，对于其他材质的可拉伸材料，可使用其他的导电引线和类似工艺进行分区电极阵列21与基底10的固定和电极引线。四根导线分别将四个电极单元与外部四个检测电路连接起来，从而将四个电极单元电势的变化以输出电压的形式反映在外部电路上。四个电极单元在组装到基底时围绕基底中心分布，两两之间相隔几个毫米尺度，形成分区电极阵列的结构。在器件基底的边缘粘附上宽度一厘米左右，高度几个厘米尺度的环形柔性可拉伸材料制备的环形垫片。之后将与基底相同形状和平面尺寸大小的介电层30与包含四个电极单元的分区电极阵列21以中心相对的方式贴合。之后利用胶体将静电屏蔽层40紧紧贴合并粘附在介电层30上表面，在贴附时要注意两材料层之间不能有残留的空气间隙。制备得到的整个器件具有良好的弹性和延展性，在不破坏整体结构的情况下，能够承受较大程度的变形。

这样，通过一个共用的介电层30和包含四个电极单元的分区电极阵列21的结构设计，形成了包含4个单电极模式的摩擦纳米发电机的自驱动复合传感器。当外部施加力作用于器件上表面时，四个摩擦纳米发电机会同时在各自对应的外部电路中产生不同程度的电压信号输出，因而根据四个电极输出电信号的变化特点，可以对作用力的大小和方向进行有效范围内的表征和检测。此外，由于在电极层和介电层这两个摩擦层相接触的表面上均设置有微型毛刺结构，器件在较小力的作用下就可以产生明显的变形，介电层和电极层之间形变所产生的摩擦和感应效应进而会在外接电路产生相应的电压输出，从而可以提高所检测力的范围以及检测精度。

图2为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器的原理示意图。图3为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器在外部正压力均匀作用于器件上表面时对应正压强的大小与输出电压的关系曲线图。图4为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器在正压力作用的基础上施加切向力，对应的切向力大小与输出电压的关系曲线图。

下面基于PDMS介电层和PDMS-CB电极层制作的多应力传感的自驱动复合传感器的样品，以及图2所示的简化原理图对正压力和切向力的作用过程及器件工作原理进行阐述。

参照图2所示，在外部施加力作用于器件之前，PDMS介电层上均匀分布着所携带着的负电荷，该负电荷是与PDMS-CB复合材料电极层接触起电产生的。同时四个外接电极上会产生相对的正电荷，该正电荷的总量少于介电层上的负电荷，因为电极单元是与外电路或者地相连接的，电荷会转移；介电层和下部电极层的电势处在平衡状态，以这个状态作为输出电压为零的基准。当外部正压力垂直作用于器件上表面时，器件受压会导致介电层和下部电极层之间的间隔减小，此时由于介电层的靠近，为继续维持平衡状态，下方的四个正电极会感应出新的累积电荷。四个电极上的电势会出现不同程度的增加，从而在四个外接电路中产生对应大小的电压输出，所施加的正压强的大小与对应输出电压的关系如图3所示。参照图3所示，当外部正压力均匀的作用于器件上表面时，电压输出与正压强的变化规律大致呈线性关系，那么根据不同电极对应的输出电压的不同，便可以判定正压力的施加位置以及施加的大小。

紧接着，在正压力作用的基础上，当施加切向力时，随着切向力由小到大的变化过程，其对应电压输出的产生过程可分为三个阶段i、ii、iii，参照图4所示。当所施加的切向力较小时(＜3N)，对应图4中的i阶段，此时的力只会引起摩擦层之间微型毛刺阵列的切向形变而不会导致介电层相对电极层的明显滑动，因而此时电压的输出源于摩擦层间两种材料毛刺结构交叉状态的形变所引起的电极电势差的改变。在有效形变范围内，所施加切向力越大，毛刺形变程度越大，对应产生的摩擦作用越强，导致电极上的电荷量变化越多，电势差(电压输出)也会越明显。在这之后，当所施加的切向力达到了驱使介电层相对滑动的力(3N)时，进入ii阶段，由于两个摩擦层之间的相对滑动，此时电极电势差的改变主要源于介电层和电极重叠面积的变化，而不再是毛刺的形变。随着力的增大，介电层的相对滑动距离增大，导致介电层和电极重叠面积的改变增加，引起下方四个正电极上的感应累积电荷变化量增多，从而对应输出幅值更大的电势差。在所施加的切向力超过了介电层滑动的最大极限值(40N)时，进入iii阶段，介电层和电极之间重叠面积的改变值达到最大，对应电极的电势差变化也达到最大幅值，对外输出电压达到极限值。因此，根据器件电极输出电压大小随正向力或切向力大小的变化关系，可以对正向力和切向力的大小进行有效的表征和检测。

对基于该设计理念所制备的其他器件，以上阐述具有同等效力，具体力和电学信号输出值视具体情况而定，本分析中出现的数值只针对实施例所示意的样品器件。同时可知，若所设计器件摩擦层间没有微型毛刺阵列结构的存在，在较小的切向力作用下，由于两摩擦层间相对滑动很难发生，器件无法产生可被外部电学仪器检测到的电压输出，从而将不能对微弱的切向力进行有效的检测。同时当毛刺不再存在时，同样作用力的情况下，两摩擦层之间对应的形变量也会减小，进而会减小输出电压值的大小，导致检测灵敏度的下降，说明了本公开的微型毛刺阵列表面结构对能够同时检测正向力与切向力，并且提高器件所检测力的范围以及检测精度的重要性。

本公开的多应力传感的自驱动复合传感器，不仅能够同时表征复合作用力中正向力和切向力的大小、作用位置，还可以辨识切向力的方向。

图5为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器对切向力的施加方向进行判别的一实例。图6为根据本公开一实施例所示的多应力传感的自驱动复合传感器对切向力的施加方向进行判别的另一实例。

下面结合图5和图6来说明该多应力传感的自驱动复合传感器对切应力方向进行传感检测的原理。

下面基于PDMS介电层和PDMS-CB电极层制作的多应力传感的自驱动复合传感器的样品为例进行说明。

图5中分区电极阵列包括4个电极，形成2×2电极阵列，可以感测二维平面中x、y方向的切向力的方向和大小。

参照图2所示，在切向力的作用下，PDMS介电层将在电极层上方的二维平面发生移动。在不同切向力的驱使下，PDMS介电层运动的距离、方向各异，这样介电层与下方四个正电极层之间的接触状态变化、形变也会不同，四个电极的外接电路会得到四个不同的输出电压信号。根据四个电路输出电压变化的特点，可以对沿着某一固定方向施加的切向力的方向进行判别。

例如，当所施加的切向力为图5所示的从左到右的方向时，在这个切向力的作用下，介电层会沿着向右的方向运动。此时，在外部输出电路中，会检测到E1和E3电极的输出电压上升，E2和E4的输出电压下降，根据这种电路输出信号特点，即可判别所施加的切向力为示意图中从左到右的方向。同理，由于每一个固定方向的切向力作用下，都对着各自对应特点的四路电极单元的信号输出，由此可以对某一作用方向的切向力进行检测。

特别地，当所施加的切向力为旋转状态的力时，如图6所示，PDMS介电层会在这种力的作用下发生旋转位移。从理论上的角度和检测结果同时分析可知，在旋转力的作用下，PDMS介电层发生0-90°角度范围内的旋转运动时，介电层与四个正电极层各自之间的重叠面积都是减小的，即在旋转角度为0°的初始状态和同等于初始状态的90°时所对应的重叠面积是最大的。进一步地分析，在旋转角度在45°时，各个电极与介电层的重叠面积减小至最小状态，所对应的外接电路输出电压幅值变化最大。对于我们的器件，经过封装之后最大扭转角度在25°左右，在此范围内，PDMS覆盖面积是始终减小的，测试得到的对应的输出电压也是持续加大的。这种所有电极都电压增大的情况只会出现在扭转运动之中。因此，我们可以识别出这种扭转运动。

对于其他排布方式的分区电极阵列结构，每个电极单元的输出结果与切向力的方向关系与2×2阵列结构的分析过程和结果均类似，扭转运动的结论也适用，以上分析同样适用于基于本公开设计理念所制备的其他器件。例如，分区电极阵列中的多个电极单元可以沿着多边形、圆周等排列，用于感测多个方向的切向力。

综上所述，本公开提供了一种多应力传感的自驱动复合传感器，通过设置包含至少两个电极单元的分区电极阵列的电极层、以及与该分区电极阵列相对设置的介电层，形成了包含至少两个单电极模式的摩擦纳米发电机的自驱动复合传感器；并在分区电极阵列的电极上表面和介电层的下表面对应设置微型毛刺阵列，在该分区电极阵列结构的电极与介电层贴合后，保证每个电极单元具有一定宽度的未被介电层上的微型毛刺阵列覆盖的边缘，位于其上的对应毛刺呈现交叉分布、相互咬合的状态，在外界正向力和切向力的作用下，介电层与电极层的接触状态、间距发生变化，毛刺对应产生形变或者介电层与电极层发生相对滑动，使得在不同区域的电极上的电势由于摩擦和感应效应会出现不同程度的变化以同时表征该复合作用力中正向力和切向力的大小、作用位置、以及方向等；此外，由于毛刺的形变能够灵敏的感知切向力的大小，尤其在切向力较小处于静摩擦阶段时，只有毛刺形变，不伴随介电层与电极层之间的相对滑动，使该自驱动复合传感器不仅实现了对正向压力以及切向力的同时检测，而且还有助于对微弱的切向力进行有效的检测，提高了所检测力的范围和监测精度；在该自驱动复合传感器的按压接触面上设置了静电屏蔽层，使其接地，有助于排除和避免外部环境和接触物体所带电荷对器件的干扰，提高检测结果的可靠性和器件的稳定性。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种多应力传感的自驱动复合传感器，包括：

基底；

电极层，位于基底之上，包含：分区电极阵列，该分区电极阵列由至少两个电极单元构成；以及第一微型毛刺阵列，分布于电极单元的上表面；以及

介电层，与电极层相对设置，包含：介电层基底；以及第二微型毛刺阵列，分布于介电层基底的下表面；

其中，电极层与介电层相贴合，第一微型毛刺阵列与第二微型毛刺阵列呈交叉分布状态，并且每个电极单元的第一微型毛刺阵列具有未被介电层上的第二微型毛刺阵列覆盖的部分。

2.根据权利要求1所述的自驱动复合传感器，还包括：

静电屏蔽层，设置于介电层的上表面。

3.根据权利要求2所述的自驱动复合传感器，其中，

所述静电屏蔽层接地；

所述静电屏蔽层的材料为柔性导电材料，厚度介于10 μm~1000 μm之间。

4.根据权利要求1或2所述的自驱动复合传感器，其中，所述电极单元与外电路或者地相连接。

5.根据权利要求1或2所述的自驱动复合传感器，其中：

所述基底的材料为柔性可拉伸材料；

所述电极单元中的电极材料为柔性导电材料；

所述介电层的材料为柔性介电材料。

6.根据权利要求1或2所述的自驱动复合传感器，其中：

所述基底的形状包括如下形状中的一种或其组合：正方形、圆形、矩形、多边形、以及不规则图形；和/或

所述电极单元的形状包括如下形状中的一种或其组合：三角形、正方形、圆形、矩形、多边形、以及不规则图形。

7.根据权利要求1或2所述的自驱动复合传感器，其中，所述第一微型毛刺阵列与第二微型毛刺阵列中单个毛刺的直径介于100 μm ~1000 μm之间，各个毛刺相互之间的间隔介于100 μm~1000 μm之间；毛刺的平均高度介于1 mm~2 mm之间。

8.根据权利要求1或2所述的自驱动复合传感器，其中：

所述第一微型毛刺阵列与电极单元为同种材料，通过一体成型制备；或者第一微型毛刺阵列与电极单元单独制备，然后进行固定连接；

所述第二微型毛刺阵列与介电层基底为同种材料，通过一体成型制备；或者第二微型毛刺阵列与介电层基底单独制备，然后进行固定连接。

9.根据权利要求1或2所述的自驱动复合传感器，其中，所述第二微型毛刺阵列的整体形状尺寸小于分区电极阵列的整体平面尺寸。

10.根据权利要求1或2所述的自驱动复合传感器，其中，所述分区电极阵列中的每个电极单元对应输出相应的电学信号，该电学信号同时表征正向力、切向力的大小、以及切向力的方向。

11.根据权利要求1或2所述的自驱动复合传感器，其中：

所述分区电极阵列包括4个电极，形成2×2阵列；或者，

所述分区电极阵列中的多个电极单元沿着多边形或圆周排列。

Images