CN113970395A - 具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器及制造方法。叉指电极层电极线、顶层和底层压阻电极层电极线均与外部具有模拟开关通断选择的电路板连接，采用行列扫描的方式分别采集叉指电极层的非接触感知信号和多孔压阻材料层的接触感知信号；电容隔离层隔离叉指电极层与多孔压阻材料层之间的电场信号干扰；制造方法包括：预先准备传感器的铝制模具和原材料；将原材料按比例制备填充进铝制模具中加热固化，将传感器进行封装制造。本发明的叉指电极单元和多孔压阻单元在结构上嵌套布置，并分别采用压阻式和电容式两种检测原理，降低接触信号与非接触信号检测间的耦合性及两者间的干扰，实现信号采集的高检测性、低耦合性和高灵敏度。

Description

具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器及制造方法
技术领域
本发明涉及一种传感器，具体涉及一种具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器及制造方法。
背景技术
机器人需求的不断增加，极大地促进了机器人产业的发展，而机器人数量的剧增，大大提升了人们在作业过程中与机器人交互的可能性。在机器人上集成触觉感知***，构建具备触觉感知能力的智能机器人，有利于提升机器人与人交互过程中的友善性，且在一定程度上能够保证交互过程的安全性。
然而，在某些特殊的应用场合下，不仅需要机器人拥有触觉感知能力，还需要其具备超出触觉感知能力的非接触感知能力。如机器人在快速工作过程中，由于惯性的作用，往往在检测到触觉力信号时便已发生了碰撞；在某些工作中，我们往往需要机器人在触碰到物体之前进行预定位，保证定位的安全、准确与可靠。因此，有必要在传统触觉力柔性传感器的基础上，集成非接触检测能力，使其安装的机器人同时在具有触觉感知能力的同时，又具备接近觉感知功能。现有的具有非接触感知与接触感知能力的多功能传感器，大体可以分为两种：基于不同检测原理的多功能传感器，目前常用的原理组合为摩擦电与压阻式结合，两者耦合较小，但是检测过程对检测物体表面有严格要求；基于单一检测原理的多功能传感器，通常是基于电容检测原理，这种方式往往在接触与非接触时检测灵敏度难以平衡。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器及制造方法，分别采用不同的检测原理同时实现对接触和非接触信号的检测，降低两种检测过程之间的干扰，具有高检测性能、低耦合与高灵敏度。并采用基于填充材料分解的发泡方法制备多孔压阻材料，进一步提升多功能传感器的检测性能。
本发明采用的技术方案是：
一、一种具有接触和非接触式感知功能的柔性传感器：
柔性传感器包括从上至下依次层叠布置的叉指电极封装层、叉指电极层、叉指电极基底层、电容隔离层、压阻顶层电极层、多孔压阻材料层和压阻底层电极层；
叉指电极层包括叉指电极单元和叉指电极层电极线，多个叉指电极单元呈N×N均匀间隔阵列布置，同行上的N个叉指电极单元的一极通过电极线串联组成一组叉指电极组，同列上的N个叉指电极单元的另一极通过电极线串联组成一组叉指电极组，每组叉指电极组经各自的一根叉指电极层电极线引出，将电极信号集中经一根叉指电极层电极线输出；
压阻顶层电极层包括顶层压阻电极层电极线、压阻顶层PDMS基底和顶层铜粉导电胶层；多个顶层铜粉导电胶层呈(N+1)×(N+1)均匀间隔阵列布置在压阻顶层PDMS基底底面；每行/列的N+1个顶层铜粉导电胶层之间通过电极线串联，并连通至对应的一个顶层压阻电极层电极线上；
压阻底层电极层包括底层压阻电极层电极线、压阻底层PDMS基底和底层铜粉导电胶层；多个底层铜粉导电胶层固定在压阻底层PDMS基底顶面，每个顶层铜粉导电胶层的正下方均对应布置一个底层铜粉导电胶层，每个底层铜粉导电胶层均固定在压阻底层PDMS基底的顶面；每列/的N+1个顶层铜粉导电胶层之间通过电极线串联，并连通至对应的一个底层压阻电极层电极线上；
多孔压阻材料层包括多个多孔压阻传感单元，每个顶层铜粉导电胶层和正下方对应的一个底层铜粉导电胶层之间均粘接一个多孔压阻传感单元；
叉指电极封装层、叉指电极基底层、压阻顶层PDMS基底和压阻底层PDMS基底作为结构支撑，叉指电极层电极线、顶层压阻电极层电极线和底层压阻电极层电极线均与外部具有模拟开关通断选择的电路板连接，采用行列扫描的方式分别采集叉指电极层的非接触感知信号和多孔压阻材料层的接触感知信号；电容隔离层隔离叉指电极层与多孔压阻材料层之间的电场信号干扰。
所述的叉指电极层还包括叉指电极层隔离块，行列电极线交叉处之间均布置一个叉指电极层隔离块隔离相交的叉指电极组，使得交叉处的电极线分成上下层，避免行列叉指电极组之间发生串扰，降低了电极线的数量，降低叉指电极层的布线复杂度。
所述的叉指电极层上包括九个叉指电极单元，九个叉指电极单元呈3×3均匀间隔阵列布置在同一平面上，每两个相邻的叉指电极单元之间中心距离范围为8～15mm；共组成六组叉指电极组，每个叉指电极层电极线为一个输出端口；
每个叉指电极单包括两个正对布置并不相接触的指状电极单元，两个指状电极单元的指长方向相反，其中一个指状电极单元的手指穿插进正对的另一个指状电极单元手指对应的指缝中并间隔开。
所述的电容隔离层为上表面通过磁控溅射工艺依次涂覆有铬涂覆层和铜涂覆层的PET薄膜。
所述的多孔压阻传感单元均为四棱锥台，相邻两个多孔压阻传感单元之间的中心距离范围为8～15mm；相邻两个多孔压阻传感单元之间的中心距离和相邻两个叉指电极单元之间中心距离一致；多孔压阻传感单元采用多孔石墨烯或硅橡胶复合材料，多孔压阻传感单元中弥散分布有多个微小的封闭气孔，封闭气孔的直径均小于500μm。
所述的叉指电极单元和多孔压阻传感单元嵌套间隔布置，叉指电极单元和多孔压阻传感单元在垂直方向上不重叠，每个叉指电极单元的四角均布置有多孔压阻传感单元，使得叉指电极单元和多孔压阻传感单元在受外力作用时互不干扰。
所述的非接触感知具体为外部的电容感知；接触感知具体为外部的压力感知。
二、一种具有接触和非接触式感知功能的柔性传感器的制造方法：
方法包括以下步骤：
1)预先准备所述传感器的各部件的铝制模具和丝网印刷版；
2)预先准备PDMS液体材料、固化剂、石墨烯、纳米银片、聚乙烯吡咯烷酮、硅橡胶材料、铜粉导电胶和聚苯基甲基硅氧烷等原材料；PDMS液体材料具有良好的柔性和延展性；纳米银片和硅橡胶材料具有良好的导电性和可拉伸性；
开始制造传感器的各部件，包括叉指电极封装层、叉指电极层、叉指电极基底层、电容隔离层、压阻顶层电极层、多孔压阻材料层和压阻底层电极层：
将各部件对应的原材料进行混合，然后刮涂填充进各部件对应的铝制模具或丝网印刷版中，并加热固化，获取固化成形的各部件；
3)制作传感器：
将所述传感器的各部件进行粘接封装，完成传感器的制造。
所述步骤1)具体为：
所述的铝制模具为具有各部件图案化凹槽的模具，将铝制模具放入无水乙醇中超声处理15分钟，取出铝制模具后在凹槽内均匀喷涂脱模剂，并于常温下静置2h；
所述步骤2)具体为：
将所述的PDMS液体材料和固化剂采用10:1的质量比进行混合形成PDMS混合材料；
a)制造叉指电极封装层、叉指电极基底层、压阻顶层电极层的压阻顶层PDMS基底和压阻底层电极层的压阻底层PDMS基底：
将PDMS混合材料刮涂填充进叉指电极封装层、叉指电极基底层、压阻顶层PDMS基底和压阻底层PDMS基底各自铝制模具的凹槽中，在90℃下加热2h固化成形，完成后移除铝制模具；
b)制造叉指电极层步骤如下：
具有叉指电极层各部件分布图案的制造模具为丝网印刷版；
b1)将0.025g石墨烯、1.25g纳米银片、0.0125g聚乙烯吡咯烷酮和0.5g硅橡胶材料混合加入行星搅拌仪中，以2000rpm转速混合3分钟，然后进行脱泡操作2分钟，制得膏状四元素复合材料；
将纳米银片和聚乙烯吡咯烷酮加入30mL四氢呋喃溶剂中进行超声混合分散5分钟，然后加入0.5g硅橡胶材料继续超声混合分散5分钟，其中纳米银片、聚乙烯吡咯烷酮和硅橡胶材料的质量比为250：2.5：100，混合均匀形成混合溶液后，将混合溶液置于加热台上，在80℃下加热搅拌混合溶液使四氢呋喃溶剂逐渐蒸发，直至得到高粘度的膏状三元素复合材料；
b2)将印刷有叉指电极单元分布图案的丝网印刷版紧贴叉指电极基底层的顶面，将膏状四元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，后在90℃下加热2h固化成形；
b3)将叉指电极层的电极线分为位于叉指电极层隔离块上层的上层电极线和位于叉指电极层隔离块下层的下层电极线；
将印刷有下层电极线和叉指电极层电极线分布图案的丝网印刷版平行置于叉指电极基底层顶面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得下层电极线和叉指电极层电极线与各自对应的叉指电极单元固接；
b4)将印刷有叉指电极层隔离块分布图案的丝网印刷版平行置于下层电极线顶面，将PDMS混合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得叉指电极层隔离块固接各自对应的下层电极线；
b5)将印刷有上层电极线分布图案的丝网印刷版平行置于叉指电极层隔离块顶面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得上层电极线固接各自对应的叉指电极层隔离块和叉指电极单元；
完成叉指电极层的制造；
c)制造压阻顶层电极层和压阻底层电极层：
除了压阻顶层PDMS基底和压阻底层PDMS基底，具有压阻顶层电极层和压阻底层电极层各部件分布图案的制造模具丝网印刷版；
将压阻顶层电极层上的电极线作为顶层电极线，将压阻底层电极层上的电极线作为底层电极线；
将印刷有顶层电极线和顶层压阻电极层电极线分布图案的丝网印刷版平行置于压阻顶层PDMS基底的底面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得顶层电极线和顶层压阻电极层电极线固接在压阻顶层PDMS基底的底面；将印刷有顶层铜粉导电胶层分布图案的丝网印刷版平行置于压阻顶层PDMS基底的底面，将铜粉导电胶刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得顶层铜粉导电胶层固接在压阻顶层PDMS基底的底面，并与各自对应的顶层电极线和顶层压阻电极层电极线固接；
将印刷有底层电极线和底层压阻电极层电极线分布图案的丝网印刷版平行置于压阻底层PDMS基底的顶面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得底层电极线和底层压阻电极层电极线固接在压阻底层PDMS基底的顶面；将印刷有底层铜粉导电胶层分布图案的丝网印刷版平行置于压阻底层PDMS基底的顶面，将铜粉导电胶刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得底层铜粉导电胶层固接在压阻底层PDMS基底的顶面，并与各自对应的底层电极线和底层压阻电极层电极线固接；
d)制造多孔压阻材料层：
步骤如下：
d1)将石墨烯、硅橡胶和聚苯基甲基硅氧烷混合形成混合物，质量比为250：2.5：100，将混合物加入行星搅拌仪中，以2000rpm转速混合3分钟；
d2)在混合物中加入偶氮二甲酰胺和催化剂氧化锌，偶氮二甲酰胺和混合物中硅橡胶的质量比为100：15，催化剂氧化锌和混合物中硅橡胶的质量比为100：3，继续使用行星搅拌仪进行搅拌，以2000rpm转速混合3分钟；然后进行脱泡操作2分钟，制得膏状压阻复合材料；
d3)将膏状压阻复合材料刮涂填充进多孔压阻传感单元的铝制模具的凹槽中，并将铝制模具置入真空干燥箱中30分钟进行真空处理，去除填充过程中出现的大气泡；
d4)将铝制模具取出，在110℃下加热固化成形，使偶氮二甲酰胺分解产生气体，在膏状压阻复合材料中形成多个弥散分布的封闭气泡；
所述步骤3)具体为：
将叉指电极层热固化封装在叉指电极封装层和叉指电极基底层之间，组成电极层；
将多孔压阻材料层通过铜粉导电胶层粘接在压阻顶层电极层和压阻底层电极层之间，组成压阻层；
在电容隔离层底面均匀刮涂厚度为0.1mm的PDMS溶液，然后将电容隔离层的底面贴合在压阻层顶面，在90℃下加热2h固化粘接；
在电容隔离层顶面均匀刮涂厚度为0.1mm的PDMS溶液，然后将电容隔离层的顶面贴合在电极层底面，在90℃下加热2h固化粘接；
完成传感器的封装制造。
本发明的有益效果是：
本发明采用逐层封装制造工艺对两种检测原理进行结合，利用多孔复合材料实现基于压阻效应的触觉检测，利用叉指电极结构实现基于电容变化的接近觉检测。在位置布置上叉指电极单元与多孔压阻单元相互嵌套，减小接触与非接触检测信号的干扰，同时保证结构的紧凑。在压阻层和电极层之间增加电容隔离层，进一步降低压阻电极层对电场信号的干扰。最终利用传感器能够实现对物体检测时的非接触和接触信号的高灵敏、低干扰和全过程检测。
附图说明
图1是本发明传感器结构的***示意图；
图2是叉指电极层的结构示意图；
图3的(a)是叉指电极单元的丝网印刷版；
图3的(b)是叉指电极层底层电极线的丝网印刷版；
图3的(c)是叉指电极层的电极隔离块的丝网印刷版；
图3的(d)是叉指电极层顶层电极线的丝网印刷版；
图4是电容隔离层的结构示意图；
图5的(a)是压阻顶层电极层的结构示意图；
图5的(b)是压阻底层电极层的结构示意图；
图6的(a)是压阻顶层电极层的电极层的丝网印刷版；
图6的(b)是压阻顶层电极层的铜粉导电胶层的丝网印刷版；
图7是叉指电极单元与多孔压阻材料相互嵌套布置的结构示意图；
图中：1、叉指电极封装层，2、叉指电极层，3、叉指电极基底层，4、电容隔离层，5、压阻顶层电极层，6、多孔压阻材料层，7、压阻底层电极层，8、叉指电极单元，9、叉指电极层电极线，10、叉指电极层隔离块，11、铜涂覆层，12、铬涂覆层，13、PET薄膜，14、顶层压阻电极层电极线，15、压阻顶层PDMS基底，16、顶层铜粉导电胶层，17、底层压阻电极层电极线，18、压阻底层PDMS基底，19、底层铜粉导电胶层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，柔性传感器包括从上至下依次层叠布置的叉指电极封装层1、叉指电极层2、叉指电极基底层3、电容隔离层4、压阻顶层电极层5、多孔压阻材料层6和压阻底层电极层7。
如图2所示，叉指电极层2包括叉指电极单元8和叉指电极层电极线9，多个叉指电极单元8呈N×N均匀间隔阵列布置，同行上的N个叉指电极单元8的一极通过电极线串联组成一组叉指电极组，同列上的N个叉指电极单元8的另一极通过电极线串联组成一组叉指电极组，每组叉指电极组经各自的一根叉指电极层电极线9引出，将电极信号集中经一根叉指电极层电极线9输出。
叉指电极层2还包括叉指电极层隔离块10，行列电极线交叉处之间均布置一个叉指电极层隔离块10隔离相交的叉指电极组，使得交叉处的电极线分成上下层，避免行列叉指电极组之间发生串扰，降低了电极线的数量，降低叉指电极层2的布线复杂度。
叉指电极层2上包括九个叉指电极单元8，九个叉指电极单元8呈3×3均匀间隔阵列布置在同一平面上，每两个相邻的叉指电极单元8之间中心距离范围为8～15mm；共组成六组叉指电极组，每个叉指电极层电极线9为一个输出端口；每个叉指电极单元8包括两个正对布置并不相接触的指状电极单元，两个指状电极单元的指长方向相反，其中一个指状电极单元的手指穿插进正对的另一个指状电极单元手指对应的指缝中并间隔开。
如图4所示，电容隔离层4为上表面通过磁控溅射工艺依次涂覆有铬涂覆层12和铜涂覆层11的PET薄膜13。
如图5的(a)所示，压阻顶层电极层5包括顶层压阻电极层电极线14、压阻顶层PDMS基底15和顶层铜粉导电胶层16；多个顶层铜粉导电胶层16呈(N+1)×(N+1)均匀间隔阵列布置在压阻顶层PDMS基底15底面；每行/列的N+1个顶层铜粉导电胶层16之间通过电极线串联，并连通至对应的一个顶层压阻电极层电极线14上。
如图5的(b)所示，压阻底层电极层7包括底层压阻电极层电极线17、压阻底层PDMS基底18和底层铜粉导电胶层19；多个底层铜粉导电胶层19固定在压阻底层PDMS基底18顶面，每个顶层铜粉导电胶层16的正下方均对应布置一个底层铜粉导电胶层19，每个底层铜粉导电胶层19均固定在压阻底层PDMS基底18的顶面；每行/列的N+1个顶层铜粉导电胶层16之间通过电极线串联，并连通至对应的一个底层压阻电极层电极线17上。
如图1所示，多孔压阻材料层6包括多个多孔压阻传感单元，每个顶层铜粉导电胶层16和正下方对应的一个底层铜粉导电胶层19之间均粘接一个多孔压阻传感单元。
多孔压阻传感单元均为四棱锥台，相邻两个多孔压阻传感单元之间的中心距离范围为8～15mm；相邻两个多孔压阻传感单元之间的中心距离和相邻两个叉指电极单元8之间中心距离一致；多孔压阻传感单元采用多孔石墨烯或硅橡胶复合材料，多孔压阻传感单元中弥散分布有多个微小的封闭气孔，封闭气孔的直径均小于500μm。
叉指电极单元8和多孔压阻传感单元嵌套间隔布置，叉指电极单元8和多孔压阻传感单元在垂直方向上不重叠，每个叉指电极单元8的四角均布置有多孔压阻传感单元，使得叉指电极单元8和多孔压阻传感单元在受外力作用时互不干扰。
叉指电极封装层1、叉指电极基底层3、压阻顶层PDMS基底15和压阻底层PDMS基底18作为结构支撑，叉指电极层电极线9、顶层压阻电极层电极线14和底层压阻电极层电极线17均与外部具有模拟开关通断选择的电路板连接，采用行列扫描的方式分别采集叉指电极层2的非接触感知信号和多孔压阻材料层6的接触感知信号，非接触感知具体为外部的电容感知；接触感知具体为外部的压力感知；电容隔离层4隔离叉指电极层2与多孔压阻材料层6之间的电场信号干扰。
本发明包括以下步骤：
1)预先准备所述传感器的各部件的铝制模具和丝网印刷版；
铝制模具为具有各部件图案化凹槽的模具，将铝制模具放入无水乙醇中超声处理15分钟，取出铝制模具后在凹槽内均匀喷涂脱模剂，并置于常温下静置2h。
2)预先准备PDMS液体材料、固化剂、石墨烯、纳米银片、聚乙烯吡咯烷酮、硅橡胶材料、铜粉导电胶和聚苯基甲基硅氧烷等原材料；PDMS液体材料具有良好的柔性和延展性；纳米银片和硅橡胶材料具有良好的导电性和可拉伸性；
开始制造传感器的各部件，包括叉指电极封装层1、叉指电极层2、叉指电极基底层3、电容隔离层4、压阻顶层电极层5、多孔压阻材料层6和压阻底层电极层7：
将各部件对应的原材料进行混合，然后刮涂填充进各部件对应的铝制模具中，并加热固化，获取固化成形的各部件；
将所述的PDMS液体材料和固化剂采用10:1的质量比进行混合形成PDMS混合材料；
a)制造叉指电极封装层1、叉指电极基底层3、压阻顶层电极层5的压阻顶层PDMS基底15和压阻底层电极层7的压阻底层PDMS基底18：
将PDMS混合材料刮涂填充进叉指电极封装层1、叉指电极基底层3、压阻顶层PDMS基底15和压阻底层PDMS基底18各自铝制模具的凹槽中，在90℃下加热2h固化成形，完成后移除铝制模具；
b)制造叉指电极层2步骤如下：
如图(3)的(a)、(b)、(c)和(d)所示，具有叉指电极层2各部件分布图案的制造模具为丝网印刷版；
b1)将0.025g石墨烯、1.25g纳米银片、0.0125g聚乙烯吡咯烷酮和0.5g硅橡胶材料混合加入行星搅拌仪中，以2000rpm转速混合3分钟，然后进行脱泡操作2分钟，制得膏状四元素复合材料；
将纳米银片和聚乙烯吡咯烷酮加入30mL四氢呋喃溶剂中进行超声混合分散5分钟，然后加入0.5g硅橡胶材料继续超声混合分散5分钟，其中纳米银片、聚乙烯吡咯烷酮和硅橡胶材料的质量比为250：2.5：100，混合均匀形成混合溶液后，将混合溶液置于加热台上，在80℃下加热搅拌混合溶液使四氢呋喃溶剂逐渐蒸发，直至得到高粘度的膏状三元素复合材料；
b2)将印刷有叉指电极单元8分布图案的丝网印刷版紧贴叉指电极基底层3的顶面，将膏状四元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形；
b3)将叉指电极层2的电极线分为位于叉指电极层隔离块10上层的上层电极线和位于叉指电极层隔离块10下层的下层电极线；
将印刷有下层电极线和叉指电极层电极线9分布图案的丝网印刷版平行置于叉指电极基底层3顶面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得下层电极线和叉指电极层电极线9与各自对应的叉指电极单元8固接；
b4)将印刷有叉指电极层隔离块10分布图案的丝网印刷版平行置于下层电极线顶面，将PDMS混合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得叉指电极层隔离块10固接各自对应的下层电极线；
b5)将印刷有上层电极线分布图案的丝网印刷版平行置于叉指电极层隔离块10顶面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得上层电极线固接各自对应的叉指电极层隔离块10和叉指电极单元8；
完成叉指电极层2的制造；
c)制造压阻顶层电极层5和压阻底层电极层7：
如图(6)的(a)和(b)所示，除了压阻顶层PDMS基底15和压阻底层PDMS基底18，具有压阻顶层电极层5和压阻底层电极层7各部件分布图案的制造模具为丝网印刷版；
将压阻顶层电极层5上的电极线作为顶层电极线，将压阻底层电极层7上的电极线作为底层电极线；
将印刷有顶层电极线和顶层压阻电极层电极线14分布图案的丝网印刷版平行置于压阻顶层PDMS基底15的底面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得顶层电极线和顶层压阻电极层电极线14固接在压阻顶层PDMS基底15的底面；将印刷有顶层铜粉导电胶层16分布图案的丝网印刷版平行置于压阻顶层PDMS基底15的底面，将铜粉导电胶刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得顶层铜粉导电胶层16固接在压阻顶层PDMS基底15的底面，并与各自对应的顶层电极线和顶层压阻电极层电极线14固接；
将印刷有底层电极线和底层压阻电极层电极线17分布图案的丝网印刷版平行置于压阻底层PDMS基底18的顶面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得底层电极线和底层压阻电极层电极线17固接在压阻底层PDMS基底18的顶面；将印刷有底层铜粉导电胶层19分布图案的丝网印刷版平行置于压阻底层PDMS基底18的顶面，将铜粉导电胶刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得底层铜粉导电胶层19固接在压阻底层PDMS基底18的顶面，并与各自对应的底层电极线和底层压阻电极层电极线17固接；
d)制造多孔压阻材料层6：
步骤如下：
d1)将石墨烯、硅橡胶和聚苯基甲基硅氧烷混合形成混合物，质量比为250：2.5：100，将混合物加入行星搅拌仪中，以2000rpm转速混合3分钟；
d2)在混合物中加入偶氮二甲酰胺和催化剂氧化锌，偶氮二甲酰胺和混合物中硅橡胶的质量比为100：15，催化剂氧化锌和混合物中硅橡胶的质量比为100：3，继续使用行星搅拌仪进行搅拌，以2000rpm转速混合3分钟；然后进行脱泡操作2分钟，制得膏状压阻复合材料；
d3)将膏状压阻复合材料刮涂填充进多孔压阻传感单元的铝制模具的凹槽中，并将铝制模具置入真空干燥箱中30分钟进行真空处理，去除填充过程中出现的大气泡；
d4)将铝制模具取出，在110℃下加热固化成形，使偶氮二甲酰胺分解产生气体，在膏状压阻复合材料中形成多个弥散分布的封闭气泡。
3)制作传感器：
将所述传感器的各部件进行粘接封装，完成传感器的制造。
将叉指电极层2热固化封装在叉指电极封装层1和叉指电极基底层3之间，组成电极层；
将多孔压阻材料层6通过铜粉导电胶层16、19粘接在压阻顶层电极层5和压阻底层电极层7之间，组成压阻层；
在电容隔离层4底面均匀刮涂厚度为0.1mm的PDMS溶液，然后将电容隔离层4的底面贴合在压阻层顶面，在90℃下加热2h固化粘接；
在电容隔离层4顶面均匀刮涂厚度为0.1mm的PDMS溶液，然后将电容隔离层4的顶面贴合在电极层底面，在90℃下加热2h固化粘接；
完成传感器的封装制造。
本发明的实施例中的传感器各参数为：
叉指电极封装层1的厚度为0.3mm，叉指电极基底层3的厚度为0.1mm；叉指电极层2中电极线、叉指电极层电极线9和叉指电极单元8的厚度均为0.1mm，叉指电极层隔离块10的厚度为0.2mm；
叉指电极单元8的长度为5.5mm，宽度为5.5mm，指长为4mm，指宽为0.5mm，指间距离为1mm，指厚为0.1mm，相邻两个叉指电极单元8之间的中心距离为10mm；
电容隔离层4的PET薄膜的厚度为25μm，铬涂覆层12的厚度为50nm，铜涂覆层11的厚度为250nm；
压阻顶层PDMS基底15和压阻底层PDMS基底18的厚度为0.4mm；压阻顶层PDMS基底15和压阻底层PDMS基底18上的电极线、顶层压阻电极层电极线14、顶层铜粉导电胶层16、底层压阻电极层电极线17和底层铜粉导电胶层19的厚度均为0.1mm；多孔压阻材料层6的多孔压阻传感单元的顶面正方形的边长为2mm，底面正方向边长为4mm，高为2mm，相邻两个多孔压阻传感单元之间的中心距离为10mm。
上述具体实施方式是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权力要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器，其特征在于：
所述柔性传感器包括从上至下依次层叠布置的叉指电极封装层(1)、叉指电极层(2)、叉指电极基底层(3)、电容隔离层(4)、压阻顶层电极层(5)、多孔压阻材料层(6)和压阻底层电极层(7)；
叉指电极层(2)包括叉指电极单元(8)和叉指电极层电极线(9)，多个叉指电极单元(8)呈N×N均匀间隔阵列布置，同行上的N个叉指电极单元(8)的一极通过电极线串联组成一组叉指电极组，同列上的N个叉指电极单元(8)的另一极通过电极线串联组成一组叉指电极组，每组叉指电极组经各自的一根叉指电极层电极线(9)引出，将电极信号集中经一根叉指电极层电极线(9)输出；
压阻顶层电极层(5)包括顶层压阻电极层电极线(14)、压阻顶层PDMS基底(15)和顶层铜粉导电胶层(16)；多个顶层铜粉导电胶层(16)呈(N+1)×(N+1)均匀间隔阵列布置在压阻顶层PDMS基底(15)底面；每行/列的N+1个顶层铜粉导电胶层(16)之间通过电极线串联，并连通至对应的一个顶层压阻电极层电极线(14)上；
压阻底层电极层(7)包括底层压阻电极层电极线(17)、压阻底层PDMS基底(18)和底层铜粉导电胶层(19)；多个底层铜粉导电胶层(19)固定在压阻底层PDMS基底(18)顶面，每个顶层铜粉导电胶层(16)的正下方均对应布置一个底层铜粉导电胶层(19)，每个底层铜粉导电胶层(19)均固定在压阻底层PDMS基底(18)的顶面；每行/列的N+1个顶层铜粉导电胶层(16)之间通过电极线串联，并连通至对应的一个底层压阻电极层电极线(17)上；
多孔压阻材料层(6)包括多个多孔压阻传感单元，每个顶层铜粉导电胶层(16)和正下方对应的一个底层铜粉导电胶层(19)之间均粘接一个多孔压阻传感单元；
叉指电极封装层(1)、叉指电极基底层(3)、压阻顶层PDMS基底(15)和压阻底层PDMS基底(18)作为结构支撑，叉指电极层电极线(9)、顶层压阻电极层电极线(14)和底层压阻电极层电极线(17)均与外部具有模拟开关通断选择的电路板连接，采用行列扫描的方式分别采集叉指电极层(2)的非接触感知信号和多孔压阻材料层(6)的接触感知信号；电容隔离层(4)隔离叉指电极层(2)与多孔压阻材料层(6)之间的电场信号干扰。
2.根据权利要求1所述的具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器，其特征在于：
所述的叉指电极层(2)还包括叉指电极层隔离块(10)，行列电极线交叉处之间均布置一个叉指电极层隔离块(10)隔离相交的叉指电极组，使得交叉处的电极线分成上下层。
3.根据权利要求1所述的具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器，其特征在于：
所述的叉指电极层(2)上包括九个叉指电极单元(8)，九个叉指电极单元(8)呈3×3均匀间隔阵列布置在同一平面上，共组成六组叉指电极组；
每个叉指电极单元(8)包括两个正对布置并不相接触的指状电极单元，两个指状电极单元的指长方向相反，其中一个指状电极单元的手指穿插进正对的另一个指状电极单元手指对应的指缝中并间隔开。
4.根据权利要求1所述的具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器，其特征在于：
所述的电容隔离层(4)为上表面依次涂覆有铬涂覆层(12)和铜涂覆层(11)的PET薄膜(13)。
5.根据权利要求1所述的具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器，其特征在于：
所述的多孔压阻传感单元均为四棱锥台；多孔压阻传感单元采用多孔石墨烯或硅橡胶复合材料，多孔压阻传感单元中弥散分布有多个封闭气孔，封闭气孔的直径均小于500μm。
6.根据权利要求1所述的具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器，其特征在于：
所述的叉指电极单元(8)和多孔压阻传感单元嵌套间隔布置，叉指电极单元(8)和多孔压阻传感单元在垂直方向上不重叠，每个叉指电极单元(8)的四角均布置有多孔压阻传感单元。
7.根据权利要求1所述的具有接触与非接触式感知功能的柔性传感器，其特征在于：
所述的非接触感知具体为外部的电容感知；接触感知具体为外部的压力感知。
8.应用于权利要求1-7任一所述传感器的一种制造方法，其特征在于：
包括以下步骤：
1)预先准备所述传感器的各部件的铝制模具和丝网印刷版；
2)预先准备PDMS液体材料、固化剂、石墨烯、纳米银片、聚乙烯吡咯烷酮、硅橡胶材料、铜粉导电胶和聚苯基甲基硅氧烷原材料；
开始制造传感器的各部件，包括叉指电极封装层(1)、叉指电极层(2)、叉指电极基底层(3)、电容隔离层(4)、压阻顶层电极层(5)、多孔压阻材料层(6)和压阻底层电极层(7)：
将各部件对应的原材料进行混合，然后刮涂填充进各部件对应的铝制模具或丝网印刷版中，并加热固化，获取固化成形的各部件；
3)制作传感器：
将所述传感器的各部件进行粘接封装，完成传感器的制造。
9.根据权利要求8所述的一种制造方法，其特征在于：
所述步骤1)具体为：
所述的铝制模具为具有各部件图案化凹槽的模具，将铝制模具放入无水乙醇中超声处理，取出铝制模具后在凹槽内均匀喷涂脱模剂，并于常温下静置；
所述步骤2)具体为：
将所述的PDMS液体材料和固化剂采用10:1的质量比进行混合形成PDMS混合材料；
a)制造叉指电极封装层(1)、叉指电极基底层(3)、压阻顶层电极层(5)的压阻顶层PDMS基底(15)和压阻底层电极层(7)的压阻底层PDMS基底(18)：
将PDMS混合材料刮涂填充进叉指电极封装层(1)、叉指电极基底层(3)、压阻顶层PDMS基底(15)和压阻底层PDMS基底(18)各自铝制模具的凹槽中，在90℃下加热2h固化成形，完成后移除铝制模具；
b)制造叉指电极层(2)步骤如下：
具有叉指电极层(2)各部件分布图案的制造模具为丝网印刷版；
b1)将0.025g石墨烯、1.25g纳米银片、0.0125g聚乙烯吡咯烷酮和0.5g硅橡胶材料混合加入行星搅拌仪中，以2000rpm转速混合3分钟，然后进行脱泡操作2分钟，制得膏状四元素复合材料；
将纳米银片和聚乙烯吡咯烷酮加入30mL四氢呋喃溶剂中进行超声混合分散5分钟，然后加入0.5g硅橡胶材料继续超声混合分散5分钟，其中纳米银片、聚乙烯吡咯烷酮和硅橡胶材料的质量比为250：2.5：100，混合均匀形成混合溶液后，将混合溶液置于加热台上，在80℃下加热搅拌混合溶液使四氢呋喃溶剂逐渐蒸发，直至得到膏状三元素复合材料；
b2)将印刷有叉指电极单元(8)分布图案的丝网印刷版紧贴叉指电极基底层(3)的顶面，将膏状四元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，后在90℃下加热2h固化成形；
b3)将叉指电极层(2)的电极线分为位于叉指电极层隔离块(10)上层的上层电极线和位于叉指电极层隔离块(10)下层的下层电极线；
将印刷有下层电极线和叉指电极层电极线(9)分布图案的丝网印刷版平行置于叉指电极基底层(3)顶面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得下层电极线和叉指电极层电极线(9)与各自对应的叉指电极单元(8)固接；
b4)将印刷有叉指电极层隔离块(10)分布图案的丝网印刷版平行置于下层电极线顶面，将PDMS混合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得叉指电极层隔离块(10)固接各自对应的下层电极线；
b5)将印刷有上层电极线分布图案的丝网印刷版平行置于叉指电极层隔离块(10)顶面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得上层电极线固接各自对应的叉指电极层隔离块(10)和叉指电极单元(8)；
完成叉指电极层(2)的制造；
c)制造压阻顶层电极层(5)和压阻底层电极层(7)：
除了压阻顶层PDMS基底(15)和压阻底层PDMS基底(18)，具有压阻顶层电极层(5)和压阻底层电极层(7)各部件分布图案的制造模具为丝网印刷版；
将压阻顶层电极层(5)上的电极线作为顶层电极线，将压阻底层电极层(7)上的电极线作为底层电极线；
将印刷有顶层电极线和顶层压阻电极层电极线(14)分布图案的丝网印刷版平行置于压阻顶层PDMS基底(15)的底面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得顶层电极线和顶层压阻电极层电极线(14)固接在压阻顶层PDMS基底(15)的底面；将印刷有顶层铜粉导电胶层(16)分布图案的丝网印刷版平行置于压阻顶层PDMS基底(15)的底面，将铜粉导电胶刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得顶层铜粉导电胶层(16)固接在压阻顶层PDMS基底(15)的底面，并与各自对应的顶层电极线和顶层压阻电极层电极线(14)固接；
将印刷有底层电极线和底层压阻电极层电极线(17)分布图案的丝网印刷版平行置于压阻底层PDMS基底(18)的顶面，将膏状三元素复合材料刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得底层电极线和底层压阻电极层电极线(17)固接在压阻底层PDMS基底(18)的顶面；将印刷有底层铜粉导电胶层(19)分布图案的丝网印刷版平行置于压阻底层PDMS基底(18)的顶面，将铜粉导电胶刮涂填充进图案的缝隙中，完成后移除丝网印刷版，在90℃下加热2h固化成形，使得底层铜粉导电胶层(19)固接在压阻底层PDMS基底(18)的顶面，并与各自对应的底层电极线和底层压阻电极层电极线(17)固接；
d)制造多孔压阻材料层(6)：
步骤如下：
d1)将石墨烯、硅橡胶和聚苯基甲基硅氧烷混合形成混合物，质量比为250：2.5：100，将混合物加入行星搅拌仪中，以2000rpm转速混合3分钟；
d2)在混合物中加入偶氮二甲酰胺和催化剂氧化锌，偶氮二甲酰胺和混合物中硅橡胶的质量比为100：15，催化剂氧化锌和混合物中硅橡胶的质量比为100：3，继续使用行星搅拌仪进行搅拌，以2000rpm转速混合3分钟；然后进行脱泡操作2分钟，制得膏状压阻复合材料；
d3)将膏状压阻复合材料刮涂填充进多孔压阻传感单元的铝制模具的凹槽中，并将铝制模具置入真空干燥箱中30分钟进行真空处理，去除填充过程中出现的大气泡；
d4)将铝制模具取出，在110℃下加热固化成形，使偶氮二甲酰胺分解产生气体，在膏状压阻复合材料中形成多个弥散分布的封闭气泡；
所述步骤3)具体为：
将叉指电极层(2)热固化封装在叉指电极封装层(1)和叉指电极基底层(3)之间，组成电极层；
将多孔压阻材料层(6)通过铜粉导电胶层(16、19)粘接在压阻顶层电极层(5)和压阻底层电极层(7)之间，组成压阻层；
在电容隔离层(4)底面均匀刮涂PDMS溶液，然后将电容隔离层(4)的底面贴合在压阻层顶面，在90℃下加热2h固化粘接；
在电容隔离层(4)顶面均匀刮涂PDMS溶液，然后将电容隔离层(4)的顶面贴合在电极层底面，在90℃下加热2h固化粘接；
完成传感器的封装制造。
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