CN110209304B - 一种柔性透明自驱动传感阵列结构及其制备方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性透明自驱动传感阵列结构及其制备方法及***，所述结构包括：从上到下依次为：封装层、第一导电层、支撑层、摩擦层、第二导电层、封装层；支撑层上设有若干镂空区域，在外力作用于结构上时，第一导电层部分穿过镂空区域与摩擦层接触摩擦，当无外力作用于结构时，第一导电层与摩擦层处于分离状态；第一导电层与支撑层接触，支撑层与摩擦层接触，摩擦层与第二导电层接触，封装层对第一导电层、和第二导电层进行封装保护；所实现的器件具有良好的透明性，柔展性和自驱动特性。

Description

一种柔性透明自驱动传感阵列结构及其制备方法及***

技术领域

本发明涉及柔性透明穿戴式轨迹识别传感阵列领域，具体地，涉及一种具有轨迹识别功能的柔性透明自驱动传感阵列及其制备方法及阵列轨迹识别***。

背景技术

随着智能时代及机器智能化时代的来临，大量的柔性穿戴设备涌现，无论是用于人体本身增强对现实世界的感知能力还是用于机器实现人体感知环境的能力，都对目前的穿戴设备提出了很多新的要求。

传统电子器件的按键或者一些能够实现区块识别的器件(如用点读机专用的笔点击书本上的文字、图画、数字等内容，机器就会发出相对应的声音)，需要制作单独的按键或者区域识别模块。而对于柔性穿戴设备，由于对器件本身轻薄以及可贴附性的要求，使得柔性穿戴设备中的按键或者一些能够实现区块识别功能的器件需要与柔性穿戴设备本身复合，而不能够去制作单独的按键或者区域识别模块。

发明内容

本发明提出了一种具有轨迹识别功能的柔性透明自驱动传感阵列及其制备方法，所实现的器件具有良好的透明性，柔展性和自驱动特性。良好的柔展性可以使其较好地贴合于人体皮肤或者一些其他的柔性器件，其自驱动特性也使得器件本身不需要任何外加的电源供电即可工作，通过外部作用力摁压器件就可以实现摩擦发电，因此其还具有潜在的为其他元件供电的发展潜力。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有轨迹识别功能的柔性透明自驱动传感阵列，包括：从上到下依次为：封装层、第一导电层、支撑层、摩擦层、第二导电层、封装层；支撑层上设有若干镂空区域，在外力作用于结构上时，第一导电层部分穿过镂空区域与摩擦层接触摩擦，当无外力作用于结构时，第一导电层与摩擦层处于分离状态；第一导电层与支撑层接触，支撑层与摩擦层接触，摩擦层与第二导电层接触，封装层对第一导电层、和第二导电层进行封装保护。

其中，摩擦层为硅橡胶摩擦层，支撑层为硅橡胶支撑层，第一导电层和第二导电层均为ITO导电层，封装层为PET封装层。

本发明中采用的硅橡胶摩擦层和硅橡胶支撑层都是采用的ECOFLEX系列硅橡胶。

本发明中采用的ITO(掺锡的氧化铟)薄膜是一种利用半导体材料制备而成的透明导电薄膜，具有高电导率，高可见光透过率(90％)，高机械稳定性和良好的化学稳定性。通过激光胶刻蚀法在ITO上实现图形化的制备，从而实现我们需要的轨迹识别功能。

ECOFLEX系列硅橡胶是一种超软铂金硅橡胶，在室温下可自然固化，收缩率小、粘度低、流动性好、优良的耐高温性，其温度可达300℃～500℃。最重要的是，固化后的硅橡胶非常柔软具有良好的柔展性，同时非常坚固，拉伸其原始尺寸的数倍而不会撕裂，并且会在没有变形的情况下回弹到其原始形状；高抗拉、抗撕裂力，可翻模次数多。

本发明的轨迹识别阵列的每一个阵列单元同时也是一种自驱动的纳米摩擦发电机，其本身可以作为一种微能源的采集装置。其产生纳米摩擦微能源的工作机理是：在外部存在作用力摁压器件时，器件的第一导电层与器件的硅橡胶摩擦层相互接触，由于两种材料对电子的吸附能力的不同，当外部压力撤去，器件的第一导电层与器件的硅橡胶摩擦层分离，由于摩擦起电，器件的第一导电层带上正电荷，器件的硅橡胶摩擦层带上负电荷，同时器件的第一导电层本身作为导电层带上正电荷，器件的第二导电层带上负电荷，这样就形成了一个电势差。当在外部电路中将器件的第一导电层与器件的第二导电层连接时，便形成了电流产生了电信号。其输出电压的大小随着外部施加压力的大小和频率会发生变化，变化的范围在几伏特到几十伏特不等。

本发明的一种具有轨迹识别功能的柔性透明自驱动传感阵列中每个阵列单元都包括摩擦单元，导电单元和支撑单元。其中第一导电层为复用单元，其同时作为摩擦单元与导电单元，支撑层作为支撑单元，摩擦层作为摩擦单元，第二导电层作为导电单元。

本发明的每个阵列单元的工作原理：在初始状态下，由于中间第三层支撑层的存在，第二层的ITO导电层(复用为摩擦层)和第四层的硅橡胶摩擦层相互之间没有接触，也没有静电电荷的产生，当有外部作用力施加于阵列单元时，由于中间第三层支撑层的厚度比较薄，且中间为空心结构使得第一导电层和器件的硅橡胶摩擦层产生接触，此时发生摩擦起电，但由于器件摩擦层的硅橡胶材料不具有导电性，因此在第一导电层表面积聚了大量的正电荷，在器件摩擦层的硅橡胶材料表明积聚了大量的负电荷，当外部作用撤去，第一导电层和器件的硅橡胶摩擦层发生分离没有接触，第二导电层与器件的硅橡胶摩擦层相互接触，此时如果外部电路连通就会由于电势差的存在形成电流产生电信号。

为了实现上述具有轨迹识别功能的柔性透明自驱动传感阵列及其制备方法：

(1)制备支撑层的硅橡胶垫圈

使用ECOFLEX系列硅橡胶，通过3D打印机打印出我们需要的具有图形化的第一模具，之后将制备的硅橡胶倒模到第一模具当中。

具体步骤为：根据需要的尺寸大小，利用SOLIDWORKS绘图软件设计出需要的图形化第一模具模型，第一模具的***尺寸为100㎜×100㎜×0.25㎜，中间具有25个方形通孔，每个通孔的大小为12㎜×12㎜，每个通孔之间的间隔为6㎜，完成设计后通过3D打印机打印出需要的第一模具。

完成模具的制作后，需要配置硅橡胶溶液，根据模具大小按照质量比为1:1配置ECOFLEX的A和B两种溶剂，搅拌均匀，并进行2min抽真空去除搅拌过程中引入的气泡，之后采用旋涂法将真空除气泡后的溶液倒模到第一模具中，为了使硅橡胶具有良好的物理和化学特性，需要将其倒模后与第一模具一起放入烘箱中烘干，烘箱温度设置为70℃，烘干1小时后取出。至此，即完成了支撑层硅橡胶垫圈的制备。

(2)制备硅橡胶摩擦层

具体制备步骤如下：

步骤1：取一块干净的电子玻璃基片，在电子玻璃基片上平整地覆盖一层100㎜×100㎜的PI膜，需保证PI膜平整地贴附在电子玻璃基片上，没有任何的凸起。

步骤2：在步骤1完成后，在PI膜的四周边缘贴上1500无铅电工绝缘胶带(宽为18㎜，厚度为0.13㎜)，通过控制步骤2所贴合的1500无铅电工绝缘胶带的层数来控制所制备的硅橡胶摩擦层的厚度。贴合过程中必须保证平整对齐没有缝隙也没有重叠。至此完成了制备硅橡胶摩擦层所需要的第二模具的制备。

步骤3：取一定量的硅橡胶PartA于塑料培养皿中，再取相同量的硅橡胶PartB(保证硅橡胶PartA与硅橡胶PartB以质量比1：1进行配比)于塑料培养皿中，利用干净无污染的玻璃棒搅拌5min，使其搅拌均匀。

步骤4：在步骤3中搅拌均匀后，将塑料培养皿中的溶液进行快速抽真空2min，以除去搅拌过程中引入的气泡。

步骤5：将步骤4中抽真空后的溶液采用旋涂法利用硅胶的自流平特性涂抹到步骤2制备的第二模具当中。

步骤6：将步骤5中倒模后的溶液进行抽真空。

步骤7：将步骤6抽真空后的溶液放入温度设置为70℃的烘箱中烘干60min。

步骤8：将步骤7中烘干后的第二模具取出，用小刀沿着步骤2中制备的第二模具里面的PI膜的边沿划开，得到贴合于PI膜的硅橡胶摩擦层，小心将PI膜撕去，就得到了需要的硅橡胶摩擦层。至此，硅橡胶摩擦层制备完成。

(3)制备ITO导电层

ITO导电层采用激光刻蚀方法制备，紫外线激光加工方法的原理是使得ITO层里面的原子吸收紫外能量后激化为离子状态并从ITO表面脱离，红外线激光加工方法的原理是使ITO层在高温下汽化挥发将ITO除去，这样就可以在ITO导电层上得到所需要的图案。

本发明还提供了一种柔性透明自驱动传感阵列结构的阵列轨迹识别***，***包括依次连接的：

所述阵列结构、分压电路，积分电路，限幅保护电路，单向输出电路、处理器、UART通信模块、VC串口传输处理模块、图形化界面显示模块；

所述阵列结构被触发后产生两个电信号，分压电路和积分电路分别对产生的两个电信号进行分压和积分处理，限幅保护电路对分压和积分处理后的信号进行信号幅值限幅处理，单向输出电路对限幅处理后的信号进行滤除负向电压信号处理，完成对信号的前端处理；

完成前端处理后的信号输入处理器，通过对采样信号的幅值与处理器预设的阈值进行比较，从而判断出该信号是否是有效信号，将有效信号传递至UART通信模块，UART通信模块将有效信号传输至VC串口传输处理模块，VC串口传输处理模块判断阵列中的横排和纵排分别有哪些有效信号，从而判断出被触发点的轨迹并利用图形化界面显示模块进行图形化界面显示。

该***实现了对柔性摩擦材料摩擦发电高电压低电流输出特性的轨迹识别，且该轨迹识别***不需要对每个独立单元进行实时监测，只需要对阵列的横排和纵排个数进行监测，因而在大规模的阵列单元轨迹识别中具有较大的优势。

本发明与现有技术相比，具有如下的优势：

1.本发明采用透明性较好的ITO作为导电层，具有良好的透光性，并且ITO的加工工艺成熟、简单，适合大规模的生产。

2.本发明采用的硅橡胶作为导电层，使得器件本身具有良好的柔展性，能够很好地贴合于人体或者其它需要延展拉伸性的地方。

3.本发明的轨迹识别阵列单元每一个小单元都是一个单独的纳米摩擦发电机，且具有较好的电学输出特性，输出电压在几伏特到几十伏特不等，具有为其它设备供电作为能源装置的潜力。且通过实验证明阵列整体具有轨迹识别的能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中柔性透明自驱动传感阵列结构的结构示意图；

图2是本申请中第一导电层的结构示意图；

图3为支撑层的结构示意图；

图4-图5是敲击单个阵列单元时，其电学性能输出示意图；

图6是轨迹识别阵列***的框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例：

请参考图1-图6，本发明申请提供了具有轨迹识别功能的柔性透明自驱动传感阵列，包括以下部分：

从上到下依次为：封装层1、第一导电层2、支撑层3、摩擦层4、第二导电层5、封装层1；支撑层上设有若干镂空区域，在外力作用于结构上时，第一导电层部分穿过镂空区域7与摩擦层接触摩擦，当无外力作用于结构时，第一导电层与摩擦层处于分离状态；第一导电层与支撑层接触，支撑层与摩擦层接触，摩擦层与第二导电层接触，封装层对第一导电层、和第二导电层进行封装保护，支撑层采用ECOFLEX系列硅橡胶。

请参考图2，图2为第一导电层的结构示意图，第一导电层上设有若干的阵列单元6。

请参考图3，图3为支撑层的结构示意图，支撑层上设有若干镂空区域7。

其中，在本申请实例中，第三支撑层与第四摩擦层均采用ECOFLEX系列硅橡胶，其具体型号为ECOFLEX 00-30。

其中，在本申请实例中，所用的ITO导电层为PEN柔性ITO导电薄膜，膜厚为0.125㎜，透光率≥80％，耐温性为200℃，具体尺寸大小为100㎜×100㎜。

其中，在本申请实例中，阵列共有25个小单元，每个单元都是一个独立的纳米摩擦发电机。

其中，在本申请实例中，每个阵列单元都包括摩擦单元，导电单元和支撑单元。其中第一导电层为复用单元，其同时作为摩擦单元与导电单元，支撑层作为支撑单元，摩擦层作为摩擦单元，第二导电层作为导电单元。

本申请中的具有轨迹识别功能的柔性透明自驱动传感阵列及其制备方法为：

1.支撑层的硅橡胶垫圈制备方法如下：

(1)设计模具：利用SOLIDWORKS绘图软件设计第一模具，第一模具的***尺寸为100㎜×100㎜×0.25㎜，中间具有25个方形通孔，每个通孔的大小为12㎜×12㎜，每个通孔之间的间隔为6㎜。

(2)打印模具：利用3D打印机将第一模具打印来；

(3)配置试剂：取ECOFLEX 00-30的PartA试剂4.0g于塑料培养皿中，用玻璃棒搅拌1min，再添加4.0g的PartB试剂于塑料培养皿中，用玻璃棒搅拌2min。

(4)真空去除气泡：将装有ECOFLEX 00-30混合PartA和PartB的塑料培养皿放入真空抽取机中，开启机器并抽真空2min。

(5)倒模：将真空去泡后的ECOFLEX 00-30混合PartA和PartB硅橡胶溶液倒入第一模具中，并用玻璃棒将其展平。

(6)固化处理：将真空去泡后装有的ECOFLEX 00-30混合PartA和PartB的第一模具放入烘箱中烘干。温度为70℃，时间为60min。

(7)导模：戴手套小心地将固化后的ECOFLEX 00-30硅橡胶轻轻的从第一模具中撕下来。

2.ITO导电层的制备方法如下：

激光器选用Nd系列YVO4半导体端面泵浦激光器，激光波长1064nm，选用固定式导光***，设定激光工作功率为700mW刻蚀速度为500mm/s。

3.硅橡胶摩擦层的制备方法如下：

(1)取一块120㎜×120㎜的电子玻璃基片，在电子玻璃基片上平整地覆盖大小为100㎜×100㎜的PI膜，覆盖过程中，使用另外一块120㎜×120㎜的电子玻璃基片压盖在PI膜上，之后使用胶带固定PI到电子玻璃基片上。

(2)在PI膜的四周边缘贴上1500无铅电工绝缘胶带(宽为18㎜，厚度为0.13㎜)，贴合过程中1500无铅电工绝缘胶带边沿与PI膜的边沿严整对齐，并在贴合完一层之后再贴合一层1500无铅电工绝缘胶带，这时第二模具的厚度为0.26㎜。

(3)取5g的硅橡胶PartA于塑料培养皿中，再取5g的硅橡胶PartB(保证硅橡胶PartA与硅橡胶PartB以质量比1：1进行配比)于塑料培养皿中，使用干净无污染的玻璃棒搅拌5min，使其搅拌均匀。

(4)将塑料培养皿中的溶液进行快速抽真空，2min

(5)将抽真空后的溶液采用旋涂法利用硅胶的自流平特性涂抹到步骤2制备的第二模具当中；

(6)将倒模后的溶液进行慢抽真空处理5min，抽真空后放气需要缓慢放气，放气时间为3min。

(7)将慢抽真空处理后的溶液放入温度设置为70℃的烘箱中烘干60min。

(8)将烘干后的第二模具取出，用小刀沿着第二模具上PI膜的边沿划开，得到贴合于PI膜的硅橡胶摩擦层，之后带上手套，小心将PI膜与硅橡胶摩擦层分离。

4.阵列轨迹识别***

本发明还基于本发明中的阵列提供了一种阵列轨迹识别***，包括：阵列、分压电路，积分电路，限幅保护电路，单向输出电路、VC串口传输处理程序和图形化界面显示程序。

(1)具有轨迹识别功能的柔性透明自驱动传感阵列的电路部分包括：前端处理的分压电路，积分电路，限幅保护电路，单向输出电路，以及后端处理的VC串口传输处理程序和图形化界面显示程序。

(2)可编程化轨迹识别：根据上述制备的可书写轨迹识别阵列，当阵列中某个单元被按压时，会由于摩擦起电和静电感应作用在阵列的横排和纵排分别产生两个电信号，由于电信号的幅值在几伏到几十伏不等且有可能有负向电压的输出，无法直接作为STM32单片机的输入信号，故需要对信号进行处理，对阵列输出的横排和纵排电路信号分别进行分压和积分，之后经过限幅电路以保证输入STM32的信号幅值在0-3.3V之间，再到单向输出电路，滤除可能存在的负向电压信号，此时已经完成了对信号的前端处理。连接到STM32的AD采样端口，选用多通道同时采样模式将阵列输出的5个横排和5个纵排信号端口分别连接到STM32AD采样端口的PA0-PA7及PB0、PB1共计十个AD采样端口中，通过对采样信号的幅值与程序设计的阈值比较，从而判断出该信号是否是有效信号，将其传递至UART通信模块，并通过串口传输连接到计算机中，利用VC程序判断横排和纵排分别有哪些有效信号，从而判断出被摁压点的轨迹并进行图形化界面显示。该轨迹识别方式不需要对每个独立单元进行实时监测，只需要对阵列的横排和纵排个数进行监测，因而在大规模的阵列单元轨迹识别中具有较大的优势。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于柔性透明自驱动传感阵列结构的阵列轨迹识别***，其特征在于，所述柔性透明自驱动传感阵列结构包括：

从上到下依次为：封装层、第一导电层、支撑层、摩擦层、第二导电层、封装层；支撑层上设有若干镂空区域，在外力作用于结构上时，第一导电层部分穿过镂空区域与摩擦层接触摩擦，当无外力作用于结构时，第一导电层与摩擦层处于分离状态；第一导电层与支撑层接触，支撑层与摩擦层接触，摩擦层与第二导电层接触，封装层对第一导电层、和第二导电层进行封装保护；

***包括依次连接的：

所述阵列结构、分压电路，积分电路，限幅保护电路，单向输出电路、处理器、UART通信模块、VC串口传输处理模块、图形化界面显示模块；

所述阵列结构被触发后产生两个电信号，分压电路和积分电路分别对产生的两个电信号进行分压和积分处理，限幅保护电路对分压和积分处理后的信号进行信号幅值限幅处理，单向输出电路对限幅处理后的信号进行滤除负向电压信号处理，完成对信号的前端处理；

完成前端处理后的信号输入处理器，通过对采样信号的幅值与处理器预设的阈值进行比较，从而判断出该信号是否是有效信号，将有效信号传递至UART通信模块，UART通信模块将有效信号传输至VC串口传输处理模块，VC串口传输处理模块判断阵列中的横排和纵排分别有哪些有效信号，从而判断出被触发点的轨迹并利用图形化界面显示模块进行图形化界面显示。

2.根据权利要求1所述的基于柔性透明自驱动传感阵列结构的阵列轨迹识别***，其特征在于，支撑层和摩擦层材质均为ECOFLEX 系列硅橡胶。

3.根据权利要求1所述的基于柔性透明自驱动传感阵列结构的阵列轨迹识别***，其特征在于，第一导电层和第二导电层均为ITO导电层。

4.根据权利要求1所述的基于柔性透明自驱动传感阵列结构的阵列轨迹识别***，其特征在于，所述结构包括若干阵列单元，阵列单元均通过自驱动的纳米摩擦发电进行微能源的采集。

5.根据权利要求4所述的基于柔性透明自驱动传感阵列结构的阵列轨迹识别***，其特征在于，每个阵列单元均对应一个镂空区域。

6.根据权利要求4所述的基于柔性透明自驱动传感阵列结构的阵列轨迹识别***，其特征在于，封装层为PET封装层。

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