CN110987029B - 一种多功能柔性传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

一种多功能柔性传感器及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于电子皮肤领域，并公开了一种多功能柔性传感器及其制备方法和应用。该多功能柔性传感器包括电容层，该电容层从下自上包括底层柔性衬底、底电极、中间介电层、导电电极、顶电极和顶层柔性衬底，其中，底电极为平板电极，中间介电层上设置有多个高低起伏的柔性凸起，顶电极上每个平板电极上设置有一根引线，两个平板电极上的引线末端相对设置形成缺口，导电电极设置在缺口正下方，当导电电极未嵌入缺口时，两个平板电极形成电容，当顶层柔性衬底受到外力时，顶电极向下运动，导电电极嵌入缺口，两个平板电极导通形成电阻，同时顶电极与底电极形成电容。通过本发明，实现温度、距离和应力的测量，降低对引线的数量和引线接口的需求。

Description

一种多功能柔性传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电子皮肤领域，更具体地，涉及一种多功能柔性传感器及其制备方法和应用。
背景技术
随着新材料的发现以及工艺的进步，柔性电子学领域获得了长足的发展，为了获得柔性的压力传感器件，通过将有机或无机电子学材料集成到柔性衬底上，并采用一定的微结构，得到性能不低于甚至超过传统的刚性传感器件。皮肤作为人体最大的器官，在皮肤组织中分布着一个庞大而密集的传感网络，比如在人体的手中分布有各种感受器，包括疼痛感受器、温度感受器和机械性刺激感受器等，可用于静态力、皮肤的拉伸、振动、温度、物体的滑动、纹理和硬度的识别等。各种感受器具有较高的分布密度，如在人体指间上温度感受器密度为4个/cm2，压力感受器为70个/cm2，静态力感受器为48个/cm2，动态力感受器为163个/cm2。因此，为了让机械手具有如人手般的感知能力，甚至超越人手的感知能力，发展一种具有柔性大面积、多功能、高集成度传感的电子皮肤具有非常重要的意义。
而要在1cm2内集成数百个不同功能的传感单元并且每个单元都是一个独立的传感模块，其占用空间和接口引线数量互不干扰，这样就会造成器件所需要的端口引线数量极大。发明专利CN106595940A提出的一种柔性多功能传感器，利用敏感材料的电阻变化实现压力和弯曲的测量，但是该发明集成的物理量少、面积小，且两种量之间会互相耦合。专利CN201210243282.9提出了一种用于机器人皮肤的柔性复合阵列传感器，在基底的同一面上分别设置了压力传感器、温度传感器和湿度传感器，此种集成方式占用空间大，同样不适用于大面积高密度集成。Hua等人采用纵向增加功能层的方式，在柔性电子皮肤上集成了温度、应变、加热、磁场、湿度、接近和光强的测量单元(文献“Hua Q,Sun J,Liu H,etal.Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks formultifunctional sensing[J].Nature communications,2018,9(1):244.”)。上述专利和文献中多功能传感器，虽然能实现多种物理量的测量，但增加一种功能就需要增加一种功能层，即功能层数与功能数为一对一的关系。采用这种集成方式，随着功能数的增多、传感密度的增大，会使工艺复杂、引线接口增多、增大对硬件资源的消耗。另外，采用一种功能层对应两种功能的方式，但这两种功能所测物理量之间会相互耦合，也不可取。
因此，随着传感和激励模块数量的不断增加，柔性传感器的功能数量与端口(或引线)数量的比例低，导致***资源负担高，器件的制备工艺复杂，空间利用率低，电路硬件部分需要更加高昂的费用，研制一种具有弯曲、振动、三向压力、物体的接近和温度测量的电子皮肤，解决电子皮肤现存的功能单一、引线接口多和空间利用率低的问题，还原机械手的触觉感受是本发明的研究目标。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多功能柔性传感器及其制备方法和应用，其通过在电容层中的底电极和顶电极层的设计，尤其是顶电极的设计，实现了电阻式和电容式电极在受力时的自由切换，以及采用电容传感器n×n的阵列组合，结合压电层电极的测量方式的切换，可实现弯曲、振动、温度、距离和三向应力(正应力和剪应力及其组合)的测量，以此降低了对功能层的数量和引线接口的需求。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多功能柔性传感器，该柔性传感器包括电容层，该电容层从下自上依次包括底层柔性衬底、底电极、中间介电层、导电电极、顶电极和顶层柔性衬底，其中，
所述底电极为平板电极，设置在所述底层柔性衬底上，所述中间介电层上设置有多个高低起伏的柔性凸起，所述顶电极包括两个平板电极，每个平板电极上设置有一根引线，两个平板电极上的引线末端相对设置形成缺口，所述导电电极设置在所述柔性凸起上，且设置在所述缺口正下方，
当所述导电电极未嵌入所述缺口时，所述顶电极上的两个平板电极形成电容，当外界环境引起该电容发生变化时，通过测量所述两个平板电极之间电容的变化反映外界环境的变化；
当所述顶层柔性衬底受到向下外力时，所述顶电极向下运动，所述导电电极嵌入所述缺口，两个所述平板电极导通形成电阻，当外界环境引起所述电阻变化时，通过测量该电阻的变化反映外界环境的变化，同时，当两个所述平板电极导通形成电阻时，整个所述顶电极作为一个平板电极，与所述底电极形成顶电极-底电极电容，当外界环境变化引起所述顶电极与底电极之间的电容发生变化时，通过测量所述顶电极与底电极之间电容的变化反映外界环境的变化。
进一步优选地，所述底层柔性衬底的材料优选为PDMS或Ecoflex，所述底电极的材料优选为Cu或Au，所述中间介电层的材料优选为PDMS或Ecoflex，所述导电电极的材料优选为导电银浆，所述顶电极的材料优选为Cu或Au，所述顶层柔性衬底的材料优选为PDMS或Ecoflex；
所述底层柔性衬底的厚度优选为10μm～20μm，所述底电极的厚度优选为200nm～400nm，所述中间介电层的厚度优选为60μm～80μm，所述导电电极的厚度优选为200nm～400nm，所述顶电极的厚度优选为200nm～400nm，所述顶层柔性衬底的厚度优选为10μm～20μm。
进一步优选地，所述平板电极上的引线呈螺旋状，两个平板电极上的两根螺旋状的引线交错排列，通过两根引线螺旋状的交错排列，以此增加所述引线的长度，提高温度测量的灵敏度。
进一步优选地，所述柔性传感器还包括基底和压电层，所述基底设置在所述压电层的下方，是所述压电层的载体，所述压电层设置在所述电容层的下方，包括压电材料层和电极层，所述压电材料层用于感知压力，并将感知的压力转换为电荷，所述电极层用于将该电荷引出，该电极层上设置有两组正交的叉指换能器，每组正交的叉指换能器包括横向的一对叉指换能器和纵向的一对叉指换能器。
进一步优选地，所述柔性传感器为一个模块，通过n×n个模块的组合形成多模块传感器阵列，该多模块传感器阵列可用于测量剪切力。
进一步优选地，所述柔性传感器还包括受力凸台，该受力凸台设置在所述电容层的上表面的中心。
进一步优选地，该多功能柔性传感器作为岛，通过多个岛的组合形成传感器网络，即柔性电子皮肤，其中，岛与岛之间通过蜿蜒分布的导线连接，该导线的蜿蜒分布使得所述传感器网络可拉伸，以此使得该传感器网络的覆盖面积可调整。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述多功能柔性传感器的制备方法，包括下列步骤：
S1选取硬质基底，在该基底上涂覆抗蚀剂作为牺牲层，然后沉积所述的底电极，固化后获得所述底电极层，在该底电极层上涂覆一层所述柔性衬底的材料，以此在该底电极层上形成所述底层柔性衬底，去除所述牺牲层，使得所述底电极层与所述硬质基底分离，以此获得所述底层柔性衬底和底电极层；
S2选取模具，将硅橡胶液体浇注在所述模具上，以此获得所需的中间介电层，其中，所述硅橡胶优选为PDMS；
S3采用电喷印的方法在所述中间介电层上预设的柔性凸起上成形所述导电电极，以此获得在预设柔性凸起上设置有导电电极的中间介质层；
S4选取硬质基底，在该硬质基底上涂覆一层牺牲层，然后在该牺牲层上涂覆柔性衬底的材料，固化后获得柔性衬底，去除所述牺牲层，将所述柔性衬底与硬质基底分离，以此获得所需的顶层柔性衬底；
S5将所述底层柔性衬底和底电极层、预设柔性凸起上设置有导电电极的中间介质层和柔性衬底从下自上依次逐层叠加，以此获得所需的电容层。
按照本发明的又一方面，提供了一种上述所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述压电层的制备方法包括下列步骤：
S6选取硬质基底，在该硬质基底上均匀涂覆一层牺牲层，在该牺牲层上沉积一层所述叉指换能器，以此获得所述电极层；
S7在所述电极层上涂覆一层压电材料，加热固化后退火，以此获得所述压电材料层；
S8在所述压电材料层上涂覆一层基底材料，固化后获得所述基底，以此在所述硬质基底上获得所需的压电层；
S9采用激光剥离技术去除所述牺牲层，将所述压电层从所述硬质基底上剥离，以此获得所需的压电层。
按照本发明的又一方面，提供了一种上述所述的柔性电子皮肤在测量距离、温度、压力、弯曲、振动和剪应力中的应用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本申请提供的柔性传感器不受外力时，作为电容传感器，受到外力时，同时作为电阻传感器和电容传感器，实现电阻和电容传感器的高度集成，同时，本发明中涉及两个电容传感器和一个电阻传感器，通过电容和电阻传感器之间的转换，减少了引线的数量；
2、本发明提供的柔性传感器，实现两个电容传感器和一个电阻传感器的集成设计，可实现待测对象的距离、温度和压力的测量，减少分别采用三个不同的传感器测量的繁杂工作，减小工作量，缩短时间成本；
3、本发明提供的柔性电子皮肤，通过采集电路的切换或传感器结构的重构、组合，实现多种功能的传感，具体可用于测量弯曲、振动、三向应力(包括正压力、剪应力及其组合)、物体的接近程度和温度，且各物理量之间不互相耦合，降低了对功能层的数量和引线接口的需求，从而实现机器人的触觉感受。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的2×2个模块组合形成的多模块柔性传感器的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的图1中2×2个模块形成的多模块柔性传感器的电极层3的俯视图，其中，(a)用于弯曲测量时的信号输入和输出示意图，(b)是用于振动测量时的信号输出示意图；
图3(a)是按照本发明的优选实施例所构建的图1中2×2个模块形成的多模块柔性传感器的电容层的顶电极层的俯视图；
图3(b)是按照本发明的优选实施例所构建的物体靠近传感器时顶电极的电容发生变化的示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的多模块传感器用于静态压力测量的示意图；
图5(a)是按照本发明的优选实施例所构建的多模块传感器用于物体温度测量的示意图；
图5(b)是按照本发明的优选实施例所构建的顶电极作为电阻式温度传感器和电容传感器切换测量原理示意图；
图6(a)是按照本发明的优选实施例所构建的四个模块传感器组成2×2小阵列实现正向力的测量示意图；
图6(b)是按照本发明的优选实施例所构建的四个模块传感器组成2×2小阵列实现剪切力的测量示意图；
图7是按照本发明的优选实施例所构建的多个传感器组合连接形成网络的可拉伸蜿蜒基底示意图；
图8是按照本发明的优选实施例所构建的多个传感器组合连接形成柔性电子皮肤的结构示意图；
图9是按照本发明的优选实施例所构建的多个传感器组合连接形成柔性电子皮肤应用时的示意图；
图10是按照本发明的优选实施例所构建的柔性电子皮肤的测量程序逻辑框图；
图11是按照本发明的优选实施例所构建的多模块柔性传感器的制备流程分解图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-基底，2-压电材料层，3-电极层，4-底层柔性衬底，5-底电极，6-中间介电层，7-导电电极，8-顶电极，9-顶层柔性层衬底，10-受力凸台，11-桥，12-电喷印喷头，13-柔性电子皮肤，14-机器手，15-水杯，16-铝模具，17-硅片，18-剥离抗蚀胶，19-蓝宝石基底，20-PZT牺牲层，21-激光光束，22-<100>晶向的硅片，23-光刻胶。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，该多功能柔性传感器包括电容层，电容层从底至上依次为底层柔性衬底4、底电极5、中间介电层6、导电电极7、顶电极8和顶层柔性衬底9，底层柔性衬底4和顶层柔性衬底9作为衬底，与外界隔离，采用柔性绝缘材料，中间介电层6由多级高低不同的金字塔状的柔性凸起结构组成，增加了压力测量的灵敏度和量程，顶电极8由两条螺旋线圈和平板电极组成，每个平板电极连接一个螺旋线圈，两个螺旋线圈的末端相对形成缺口，缺口正下方对应的金字塔状的柔性凸起上设置有导电电极7，导电电极嵌入缺口时，将两块平板电极导通形成电阻，用于测量对柔性传感器施加压力的物体的温度，两个平板电极构成平面电容器，用于测量物体接近时的距离，底电极5为平板电极，底电极5和顶电极8构成平行板电容器，在压力的作用下而变化，用于静态压力的测量。
该多功能柔性传感器还包括基底1和压电层，基底1为柔性传感器中其他部件的载体，压电层包括压电材料层2和位于其上方的电极层3，压电材料层2用于感知压力，并将感知的压力转换为电荷，电极层3用于将该电荷引出，电极设置为叉指对的形式，电极层3上设置有两组正交的叉指换能对，每组正交的叉指换能器包括横向的一对叉指换能器和纵向的一对叉指换能器，横向/纵向的一对叉指换能器中的两个叉指换能器一个作为信号的输入，一个作为信号的输出时，用于弯曲程度的测量，两个叉指换能器都作为信号的输出时，用于振动信号的测量。
柔性传感器还包括受力凸台10，受力凸台10设置在电容层上表面的正中央，作为柔性传感器与外界环境接触的媒介。
将包括基底、压电层和电容层的柔性传感器作为一个模块，如图1所示，图中是2×2个模块组合形成的多功能柔性传感阵列，该阵列电容层的上表面中央设置有一个受力凸台10。
当物体接近柔性传感器时，顶电极8上的两个平板电极组成的平面电容发生变化，通过测量电容的变化反映所述待抓取物体与所述柔性传感器之间的距离，以此实现距离的测量；
机械手的弯曲导致压电层的叉指换能器对之间的路径发生变化，通过测量其中的接收叉指换能器的电压幅值和相位，以此实现柔性传感器弯曲程度的测量；
柔性传感器受到压力的作用，导致导电电极嵌入缺口，待抓取物体的温度变化引起两个平板电极形成的电阻发生变化，通过测量两个平板电极两端的电阻获得待抓取物体的温度，以此实现温度的测量；
机械手抓取物体时的压力和剪应力使得顶电极和底电极之间的电容发生变化，通过测量所述2×2阵列组合的4个电容的变化趋势和变化大小，即可解耦出压力和剪应力的大小和方向；
同时，压电层的叉指换能器对均作为输出电极，以此感知抓取过程中的动态压力信号。
图2是图1中2×2个模块形成的传感器阵列的电极层3的俯视图，图2中(a)是当用于弯曲测量时，横向/纵向的一对叉指换能器中的两个叉指换能器一个作为信号的输入，一个作为信号的输出，其中一个换能器称为输入换能器，通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由另一个换能器，称为输出换能器，将声信号转变成电信号输出。
图2中(b)是当作为振动传感器时，两个叉指换能器均作为输出，在压力的作用下，由于压电效应会在两极板上产生电荷，且产生的电荷量与振动信号成正比。
对于各向同性压电材料，叉指换能器对的输出电压与其几何参数相关，具体如下：
Figure GDA0002670261050000091
式中，h是与压电材料及其物理属性相关的常数，t是时间，VR是瑞利波的传播速度，L是输入换能器接输入电压的叉指和输出换能器接输出电压的叉指之间的距离，a是叉指电极之间的距离，m,n分别为输入换能器和输出换能器叉指的数目，vin是输入换能器的激励电压，vout是输出换能器的输出电压。从上式中可以看出，输出电压随换能器对的尺寸参数a和L变化而变化。沿换能器方向的弯曲变形，会导致压电材料的各向异性，影响表面声波的传播，从而改变输出电压的幅值和相位，输出换能器接收电压的幅值、相位正比于弯曲半径，即单对的换能器对可以表征沿换能器方向的一维弯曲形貌。而根据叠加原理任意不重叠的三维面可以分解为两个具有单方向弯曲的二维面，故采用两对正交的换能器即可解析出三维的变形。
图3(a)是图1中的2×2个模块形成的传感器阵列的顶电极8的俯视图，图3(b)是当物体靠近传感器时，顶电极的电容发生变化的示意图，电容层的顶电极8由一对螺旋电极组成，构成了平面电容传感器，用于物体接近距离的测量，平面电容C的大小与极板的尺寸参数和极板附近电场分布有关，当物体接近时，改变了极板附近的电场分布，因此导致电容值的改变，且随物体的接近距离不同，平面电容C的改变量也不同，另外不同物体的物理属性不同，接近时导致平面电容的改变量也不同，因此也可用于物体类型的识别。
如图4所示，传感器的电容层用于静态压力的测量，电容层包括底电极、介电层和顶电极，底电极和顶电极构成平行板电容器，用于静态压力的测量，在压力作用下，中间介电层受压变形，两极板间距离减小，平行板电容也随之增大。具体如下：
根据平行板电容公式：
Figure GDA0002670261050000101
其中，ε0为真空介电常数，εr为中间介电层的相对介电常数，A为上下极板正对面积，d为上下极板间距离，即中间介电层的厚度，随压力变化。为了增大压力传感器的灵敏度和量程，中间介电层采用多级金字塔微凸台结构，即由多级高低不同均匀分布的金字塔微凸台。在小压力作用下，最高的金字塔先与顶电极层接触，随着压力的增大，顶电极层继续向下移动，接触到次高的金字塔，然后依次向下。相比于传统的等高金字塔微结构，减小了中间介电层的拉伸刚度，提高了测压灵敏度，同时多级的存在使传感器不至于过快进入饱和区，导致量程较小。另外，由于减小了金字塔微结构在受压变形后与顶电极的接触面积，因此也减小了传感器的迟滞现象。
如图5(a)所示，在正压力作用下，传感器中间介电层的中间金字塔电极部分接触到电容层的顶电极8，使顶电极的螺旋电极对连接起来作为温度传感器，随着温度的不同，其电阻会产生变化，从而实现温度的测量。因此顶电极应采用温度敏感材料，优选的可选用导电性良好的铂金属，同时双螺旋的结构设计增加了温度测量的灵敏度。故电容层的顶电极具有两种工作模式，分别用于物体接近和温度的测量，而压力作为两种模式的转换“开关”。图5(b)为电容层的电阻式温度传感器和平行板电容传感器共用顶电极时电路切换实现分时同位测量示意图，即通过开关的切换实现不同时段测量顶电极的电阻，不同时段测量顶电极和底电极之间的电容，实现三向力和温度在同一位置的测量。
如图6(a)所示，是四个传感器组成2×2小阵列实现三向力的测量，即垂直方向的正应力(z方向)和水平前后方向(y方向)、水平左右方向(x方向)的剪应力。为了进一步增大测力灵敏度，在顶部增加了微型圆凸台，有利于应力的集中。其中位于前方水平左右方向布置的两顶电极与底电极构成电容C1、C2，位于后方水平左右方向布置的两顶电极与底电极构成电容C3、C4。任意方向的三维应力均可分解为沿x、y、z方向的应力τx、τy、Pz，则平行板电容表示为：
Figure GDA0002670261050000111
Figure GDA0002670261050000112
式中ε0为真空介电常数，εr为中间介电层的相对介电常数，d为中间介电层的初始厚度，A为平行板电容的两极板间的初始正对面积，Δd1、Δd2、Δd3、Δd4分别为C1、C2、C3、C4在压力作用下两极板间下降的距离。如图6(a)所示，在沿z方向的正压力作用下，电容C1、C2、C3、C4极板间的距离均减小，电容均增大。如图6中(b)所示，在沿x方向剪应力的作用下，C1、C3的极板间距离减小，电容增大，而C2、C4的极板间距离增大，电容减小，即可判断出剪应力的方向，同理前后方向的剪切力作用会导致类似的变化，在三向力的作用下，综合四个电容的变化趋势和变化大小即可解耦出三向力的大小和方向。
如图7所示，为本发明的多个传感器组合连接后形成的大面积柔性电子皮肤的可拉伸蜿蜒基底示意图，为了实现大面积的传感器网络，采用柔性镂空型“岛-桥”结构设计方法。岛为多功能柔性传感单元，在本发明中由2×2的传感器组成，能够与机器手表面共形，桥11连接每个传感单元，由可拉伸的蜿蜒导线组成，使得传感器网络具有极大的拉伸能力，并且可根据需要调整每个单元之间的间隙，改变测量密度。如图8所示，为了进一步提高电子皮肤的面积，待拉伸后的传感网络贴附在机器手上后，采用电喷印的方式将每个传感网络的电路引脚互连起来，组成更大面积的电子皮肤，且该方式根据不同的应用对象可任意扩展。
如图9所示，为本发明集成多个传感的大面积柔性电子皮肤的应用示意图，贴附有柔性电子皮肤13的机器手14抓取并感知一杯热水15的过程主要分为三个阶段，I接近阶段，II接触阶段，III握紧阶段。在I阶段中，机械手需要根据杯子的形状调整手的姿态，压电层主要用于机器手弯曲的测量，即一对叉指换能器中一个作为输入换能器，另一个作为输出换能器，实现对机械手姿态的实时监测。此时电子皮肤没有受到外界正压力的作用，电容层的顶电极作为平面电容传感器，当机械手逐渐与水杯接近时，改变平面电容的电场分布，从而改变其电容值，实现机械手与水杯距离的监测。在II阶段，机械手与水杯刚好接触，此时在正压力的作用下，电容层中间节点层的中间金字塔上的电极与电容层的顶电极接触，使平面电容传感器转换为电阻式温度传感器，实现水杯温度的测量。在III阶段，电容层的底电极、顶电极及中间的多层次金字塔结构构成了平行板电容传感器。机械手逐渐握紧水杯，在压力的作用下，挤压电容层的中间介电区域，使电容发生改变，从而实现静态压力的测量。此时，顶电极也作为电阻式温度传感器，通过电路上的切换实现温度和压力的同位分时测量。由四个多功能传感单元组成三向力的测量单元，在水平方向力的作用下，导致四个传感单元中平行板电容的变化不同，通过算法的解耦即可判断出水平方向力的大小和方向。此时，压电层的叉指电极对均作为输出，用于感知抓握过程中的振动信号。
如图10所示，为柔性电子皮肤的测量程序逻辑框图。首先读取电容层顶电极的电阻R，若R为无限大，则说明机械手没有受到表面正压力的作用，因此判断机械手处于接近阶段。则压电层用作表面声波传感器，即电极层3中分别作为输出和输入，用于测量机械手的姿态测量。同时电容层中顶电极层的双螺旋顶电极8之间没有连接，作为平面电容传感器，用于机械手和物体之间的接近距离的测量。反之，若R不是无限大，则说明机械手处于接触或握紧阶段，压电层的叉指换能器对均作为输出，用于抓握过程中振动信号的测量。电容层中顶电极层的双螺旋顶电极8之间导通，用于接触物体温度的测量，同时电容层的顶电极层和底电极层之间形成平行板电容，用于静态压力的测量，而2×2的传感器的组合用于三向压力的测量。
如图11所示，是多模块的柔性传感器的制备工艺流程图，包括如下步骤：
第一部分 电容层的制备
S1柔性衬底和底电极层的制备
选取硬质基底，在该基底上涂覆抗蚀剂作为牺牲层，然后沉积所述的底电极，固化后获得所述底电极层，在该底电极层上涂覆一层所述柔性衬底的材料，以此在该底电极层上形成所述底层柔性衬底，去除所述牺牲层，使得所述底电极层与所述硬质基底分离，以此获得所述底层柔性衬底和底电极层；
S2中间介电层的制备
选取模具，将硅橡胶液体浇注在所述模具上，以此获得所需的中间介电层，其中，所述硅橡胶优选为PDMS或铂催化硅橡胶Ecoflex；
S3导电电极的制备
采用电喷印的方法在所述中间介电层上预设的柔性凸起上成形所述导电电极，以此获得在预设柔性凸起上设置有导电电极的中间介质层；
S4顶层柔性衬底和顶电极层的制备
选取硬质基底，在该硬质基底上涂覆一层牺牲层，然后在该牺牲层上涂覆柔性衬底的材料，固化后获得柔性衬底，去除所述牺牲层，将所述柔性衬底与硬质基底分离，以此获得所需的顶层柔性衬底；
S5电容层的组装
将所述底层柔性衬底和底电极层、预设柔性凸起上设置有导电电极的中间介质层和柔性衬底从下自上依次逐层叠加，以此获得所需的电容层。
第二部分基底和压电层的制备
S6电极层的制备
选取硬质基底，在该硬质基底上均匀涂覆一层牺牲层，在该牺牲层上沉积一层所述叉指换能器，以此获得所述电极层，其中，所述牺牲层采用…；
S7在所述电极层上涂覆一层压电材料，加热固化后退火，以此获得所述压电材料层，其中，退火温度分别280℃～320℃，10min去除压电材料中的有机物，650℃～750℃，1min形成PZT的钙钛矿相；
S8在所述压电材料层上涂覆一层基底材料，固化后获得所述基底，以此在所述硬质基底上获得所需的压电层；
S9采用激光剥离技术去除所述牺牲层，将所述压电层从所述硬质基底上剥离，以此获得所需的压电层，其中激光剥离的的激光光束宽度优选选用20mm 0.5mm，激光能量选用40mJ，扫描速度选用2mm/s。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
第一部分 电容层的制备
S4电容层的底电极层制备。取一片干净的硅片17，匀胶剥离抗蚀胶18作为牺牲层，然后旋涂AZ5214正性光刻胶，光刻显影后，磁控溅射金属铬/金(Cr/Au)，作为底电极5；配制聚二甲基硅氧烷橡胶(PDMS，Sylgard 184)，按照预聚物：固化剂＝10：1，混合充分搅拌均匀后，真空除泡，然后在所述底电极上匀胶PDMS4，在热板上90℃烘烤固化，时间10min；最后用AZ400K显影液去除剥离抗蚀胶，得到底电极层；
电容层的中间介电层制备。取一片<100>晶向的硅片22，硅片表面镀有300nm厚的SiO2薄膜，清洗，烘干；然后匀胶S1805光刻胶，匀胶速度4000rpm/s，时间60s，热板115℃烘烤坚膜60s，曝光显影后继续在115℃后烘，时间5min，得到湿法刻蚀用的光刻胶23；将上述样品放在4％四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液中，90℃刻蚀，得到金字塔凹槽结构，再依次放入缓冲蚀刻液中刻蚀4min，在65％HNO3：40％NH4F＝2：1溶液中刻蚀，并将硅模具用氧等离子进行亲水处理，然后再用OTS/正庚烷溶液中疏水处理1h得到具有多级高低不同的金字塔硅模具；将配制好的PDMS溶液浇筑于模具中，加热固化后将固化的PDMS橡胶从模具中撕下来，即得到多层金字塔微结构的中间介电层6；采用电喷印的方式打印导电银浆，图中的电喷印喷头12打印导电银浆，作为中间金字塔上的电极7；
电容层顶电极层的制备。此步工艺与底电极层的制备过程类似，只是采用的光刻掩模不同，顶电极结构形式为双螺旋结构，且材料为对温度敏感的金属铂(Pt)；
第二部分 基底层和压电层的制备
S1基底层的制备。取一片干净的圆硅片，匀胶聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为牺牲层，匀胶速度3000rpm，时间45s，热板上烘烤温度180℃，5min；然后匀胶聚酰亚胺前驱体溶液(北京波米科技有限公司，粘度4000cp)，匀胶速度1500rpm，时间120s，热板上烘烤130℃，时间60s，重复匀胶一次，放在烘箱中220℃烘烤2h，进行亚胺化处理，得到14um厚度的聚酰亚胺(PI)层；接着匀胶正性光刻胶AZ5214，匀胶速度3000rpm，60s，热板烘烤温度90℃，60s，光刻机曝光9s，显影45s；磁控溅射沉积金属铬/金(Cr/Au)，用丙酮去除光刻胶后，得到可拉伸蜿蜒基底的刻蚀掩模；最后在反应离子刻蚀机中，用氧等离子刻蚀聚酰亚胺，在丙酮中水浴加热65℃，时间30min，得到具有可拉伸蜿蜒结构的聚酰亚胺基底；
S2压电层的制备。首先配制锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)前驱体凝胶溶液，按照金属离子摩尔浓度比为Pb：Zr：Ti＝1.15～1.2：0.52：0.48的配比，称取溶质三水醋酸铅、五水硝酸锆和钛酸四丁酯，溶于乙二醇甲醚或乙酰丙酮溶剂中，通过水解反应和聚合反应形成PZT的前驱体溶液；接着通过调节pH和定容至0.4～0.6mol/L，经自然冷却，静置密封，在自然条件下老化40～80个小时，形成PZT前驱体凝胶溶液；接着PZT牺牲层的制备，取一片干净的蓝宝石基底19，清洗干净，在其上匀胶所述PZT前驱体凝胶溶液，固化坚膜后再进一步加热去除有机物，如此反复涂多层，达到预期的压电层厚度，再经高温退火形成钙钛矿相，作为PZT牺牲层20；
然后匀光刻胶，光刻显影后，磁控溅射叉指换能器对的电极铬/金(Cr/Au)，在丙酮中去胶后得到压电层的电极层3；
制备PZT压电材料层2，与PZT牺牲层制备工艺类似，此处不再赘述；再匀胶聚酰亚胺前驱体溶液，经过前期的热板烘烤固化，高温亚胺化形成均匀的聚酰亚胺(PI)薄膜1，作为基底；
采用激光剥离的方式将压电层从基板上释放下来，激光光束21透过蓝宝石基底19，打在PZT牺牲层上，发生界面烧蚀，并且该激光剥离的激光光束宽度优选选用20mm×0.5mm，激光能量选用40mJ，扫描速度选用2mm/s，烧蚀厚度约为100nm，即得到压电层；
第三部分 受力凸台的制备
S5顶层受力凸台的制备。采用铝模具制备所述受力凸台，所述铝模具16采用机械加工的方式，然后浇筑配置好的PDMS溶液，加热固化后，用镊子小心地揭下来即可得到受力凸台10；
S6最后将上述压电层、电容层和顶层受力凸台依次对准贴合在一起，组成2x2阵列的多功能传感器，然后再将该小阵列对准贴合到可拉伸蜿蜒基底的岛上组成大面积的柔性电子皮肤。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能柔性传感器，其特征在于，该柔性传感器包括电容层，该电容层从下自上依次包括底层柔性衬底(4)、底电极(5)、中间介电层(6)、导电电极(7)、顶电极(8)和顶层柔性衬底(9)，其中，
所述底电极(5)为平板电极，设置在所述底层柔性衬底(4)上，所述中间介电层(6)上设置有多个高低起伏的柔性凸起，所述顶电极(8)包括两个平板电极，每个平板电极上设置有一根引线，两个平板电极上的引线末端相对设置形成缺口，所述导电电极(7)设置在所述柔性凸起上，且设置在所述缺口正下方，
当所述导电电极(7)未嵌入所述缺口时，所述顶电极上的两个平板电极形成电容，当外界环境引起该电容发生变化时，通过测量所述两个平板电极之间电容的变化反映外界环境的变化；
当所述顶层柔性衬底(9)受到向下外力时，所述顶电极向下运动，所述导电电极(7)嵌入所述缺口，两个所述平板电极导通形成电阻，当外界环境引起所述电阻变化时，通过测量该电阻的变化反映外界环境的变化，同时，当两个所述平板电极导通形成电阻时，整个所述顶电极(8)作为一个平板电极，与所述底电极(5)形成顶电极-底电极电容，当外界环境变化引起所述顶电极与底电极之间的电容发生变化时，通过测量所述顶电极与底电极之间电容的变化反映外界环境的变化。
2.如权利要求1所述的一种多功能柔性传感器，其特征在于，所述底层柔性衬底(4)的材料为PDMS或Ecoflex，所述底电极(5)的材料为Cu或Au，所述中间介电层(6)的材料为PDMS或Ecoflex，所述导电电极(7)的材料为导电银浆，所述顶电极(8)的材料为Cu或Au，所述顶层柔性衬底(9)的材料为PDMS或Ecoflex；
所述底层柔性衬底(4)的厚度为10μm～20μm，所述底电极(5)的厚度为200nm～400nm，所述中间介电层(6)的厚度为60μm～80μm，所述导电电极(7)的厚度为200nm～400nm，所述顶电极(8)的厚度为200nm～400nm，所述顶层柔性衬底(9)的厚度为10μm～20μm。
3.如权利要求1或2所述的一种多功能柔性传感器，其特征在于，所述平板电极上的引线呈螺旋状，两个平板电极上的两根螺旋状的引线交错排列，通过两根引线螺旋状的交错排列，以此增加所述引线的长度，提高温度测量的灵敏度。
4.如权利要求1所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器还包括基底(1)和压电层，所述基底(1)设置在所述压电层的下方，是所述压电层的载体，所述压电层设置在所述电容层的下方，包括压电材料层(2)和电极层(3)，所述压电材料层(2)用于感知压力，并将感知的压力转换为电荷，所述电极层(3)用于将该电荷引出，该电极层上设置有两组正交的叉指换能器，每组正交的叉指换能器包括横向的一对叉指换能器和纵向的一对叉指换能器。
5.一种如权利要求4所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器为一个模块，通过n×n个模块的组合形成多模块传感器阵列，该多模块传感器阵列可用于测量剪切力。
6.如权利要求5所述的多功能柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器还包括受力凸台(10)，该受力凸台设置在所述电容层的上表面的中心。
7.如权利要求6所述的多功能柔性传感器，其特征在于，该多功能柔性传感器作为岛，通过多个岛的组合形成传感器网络，即柔性电子皮肤，其中，岛与岛之间通过蜿蜒分布的导线连接，该导线的蜿蜒分布使得所述传感器网络可拉伸，以此使得该传感器网络的覆盖面积可调整。
8.一种权利要求1-4任一项所述多功能柔性传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括下列步骤：
S1选取硬质基底，在该基底上涂覆抗蚀剂作为牺牲层，然后沉积所述的底电极，固化后获得所述底电极层(5)，在该底电极层上涂覆一层所述柔性衬底的材料，以此在该底电极层上形成所述底层柔性衬底(4)，去除所述牺牲层，使得所述底电极层与所述硬质基底分离，以此获得所述底层柔性衬底(4)和底电极层(5)；
S2选取模具，将硅橡胶液体浇注在所述模具上，以此获得所需的中间介电层；
S3采用电喷印的方法在所述中间介电层上预设的柔性凸起上成形所述导电电极，以此获得在预设柔性凸起上设置有导电电极的中间介质层；
S4选取硬质基底，在该硬质基底上涂覆一层牺牲层，然后在该牺牲层上涂覆柔性衬底的材料，固化后获得柔性衬底，去除所述牺牲层，将所述柔性衬底与硬质基底分离，以此获得所需的顶层柔性衬底；
S5将所述底层柔性衬底和底电极层、预设柔性凸起上设置有导电电极的中间介质层和柔性衬底从下自上依次逐层叠加，以此获得所需的电容层。
9.一种权利要求4所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述压电层的制备方法包括下列步骤：
S6选取硬质基底，在该硬质基底上均匀涂覆一层牺牲层，在该牺牲层上沉积一层所述叉指换能器，以此获得所述电极层；
S7在所述电极层上涂覆一层压电材料，加热固化后退火，以此获得所述压电材料层；
S8在所述压电材料层上涂覆一层基底材料，固化后获得所述基底，以此在所述硬质基底上获得所需的压电层；
S9采用激光剥离技术去除所述牺牲层，将所述压电层从所述硬质基底上剥离，以此获得所需的压电层。
10.一种如权利要求7所述的多功能柔性传感器在测量距离、温度、压力、弯曲、振动和剪应力中的应用。
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