CN109406012B - 一种柔性压电式的三维触觉传感器阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性压电式的三维触觉传感器阵列，其结构包括从上至下依次连接的PDMS半球形凸起层、上电极层、纳米结构压电薄膜层、下电极层、印刷电路板柔性基底层；所述纳米结构压电薄膜层为纳米结构ZnO压电薄膜，且位于呈阵列图案化分布的上下电极层之间，形成多个压电敏感单元；所述三维触觉传感器阵列由M×N个相互分离的传感器单元构成，每个传感器单元含一个PDMS半球形凸起和三个压电敏感电容，PDMS半球形凸起将三维接触力传递至三个压电敏感电容，通过三个压电敏感电容产生电荷的大小以测量外界三维接触力。本发明还公开了该柔性压电式的三维触觉传感器的制备方法。本发明具有三维接触力测量、高灵敏度、高柔韧性、动态响应好的优点。
Description
技术领域
本发明属于触觉传感器技术领域，具体涉及一种柔性压电式的三维触觉传感器阵列及其制备方法。
背景技术
触觉是机器人获取环境信息的一种仅次于视觉的重要知觉形式，广义的触觉包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等，狭义的说它是机械手与对象接触面上的力感觉。现今，由于触觉传感器可以探测或感知到机器人与对象、环境相互作用时的一系列物理特征量的细小变化，不仅可以获取机器人的手与物体的接触位置以及接触力的分布函数，而且可以获取视觉无法获取的物体信息，如震动特性、热传递特性、机械特性等，触觉传感器在人工假肢，机器皮肤，触摸屏，可穿戴电子器件等方面展现出巨大的应用前景。兼有柔性和三维力检测功能的柔性触觉传感器在体育运动、医疗和生物力学等研究领域中具有广泛的应用前景。
在过去的几十年内，人们运用各种新型的敏感材料、新的敏感机理、新的器件结构等模仿触觉，有效提升其敏感特性，扩展其应用领域，并推动触觉传感技术的研究取得了长足的进步。触觉传感器按工作机理不同主要分为五种类型，包括电容式、压阻式、压电式、光学和摩擦电式触觉传感器。压电式触觉传感器利用敏感材料的压电效应，当外力作用于敏感材料时，发生结构形变，引起其表面上出现正负束缚电荷，从而感知外部压力信息。与压阻式、电容式触觉传感器相比，压电式触觉传感器具有较高的灵敏度、动态响应、低能耗和自供能等优势，且其性能与接触对象无关，在发展快速动态响应、低能耗、自供能的柔性触觉传感器方面具有重要价值，可广泛应用于人机交互、机器人、生物医学器件等领域。
目前，三维触觉传感器主要以基于压阻式和电容式为主。硅压阻式三维触觉传感器具有性能稳定、接口简单、易集成等优势，但其易脆性使之与柔性可穿戴应用不匹配。导电橡胶型压阻式三维触觉传感器和柔性电容式三维触觉传感器虽具有柔性可弯曲的特点，但其动态性能不好，无法对接触及滑移信号实现快速响应。为解决这些问题，有必要研究一种基于压电式的柔性三维触觉传感阵列，通过其快速响应的特点，实现接触及滑移状态的快速判断。然而，现有的柔性压电式触觉传感器大都采用聚偏氟乙烯(PVDF)或聚偏氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)充当压电敏感材料。然而，与无机压电材料相比，基于有机压电材料的触觉传感器虽柔韧性好，但其低的压电系数导致低灵敏度。因此，如何解决柔性压电式触觉传感器高柔韧性和高灵敏度之间矛盾，开发兼具高柔韧性、高灵敏度、易大面积制作、低成本加工等一直学界和产业界关注的热点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种柔性压电式的三维触觉传感器阵列及其制备方法，通过采用无机纳米压电材料充当压电敏感层，以解决现有柔性触觉传感器不能兼高柔韧性和高灵敏性的问题；通过半球形凸起和三个压电敏感元件组成一个传感器阵列单元，并采用简单的制备工艺，从而实现一种兼具高灵敏度和高柔性三维触觉传感器阵列。
为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：
一种柔性压电式的三维触觉传感器阵列，其结构包括：从上至下依次连接的半球形凸起层1、上电极层2、纳米结构压电薄膜层3、下电极层5、以及柔性印刷电路板基底层6；所述三维触觉传感器阵列由M×N个相互分离的三维触觉传感器单元构成；
所述半球形凸起层1为表面具有M×N排布的半球形的图案化薄膜，并覆盖于M×N排布的上电极图形上；所述下电极层5为M×N排布的阵列结点，每个阵列结点为每个上电极正下方的三个圆形下电极，即一个上电极对应三个下电极，同时与夹心的纳米结构压电薄膜共同形成三个压电敏感电容，一个半球形凸起正压于所述三个压电敏感电容上，组成一个三维触觉传感器单元；
每个三维触觉传感器单元含一个半球形凸起和三个压电敏感电容，所述半球形凸起将三维接触力传递至三个压电敏感电容，通过三个压电敏感电容两端产生电荷的大小以测量外界接触力的大小和方向。
作为优选的技术方案，各个压电敏感电容之间采用聚酰亚胺柔性膜4作为绝缘隔离膜，且位于上电极层和柔性印刷电路板基底层之间，使所述三维触觉传感器单元中的三个压电敏感电容相互之间具有电隔离，并与周围的三维触觉传感器单元绝缘隔离。
作为优选的技术方案，所述三维触觉传感器单元中，三个压电敏感电容均布于半球形凸起的正下方，且三个下电极内接于半球形凸起的投影圆面内。
作为优选的技术方案，所述纳米结构压电薄膜层为ZnO纳米线压电敏感膜，生长于呈阵列图案化分布的下电极层上，且位于上下电极层之间，形成M×N排布的压电敏感单元。
作为优选的技术方案，所述上电极层为100～200nm厚的纳米颗粒Ag薄膜层；所述下电极为厚度为1～2μm的Zn膜。
作为优选的技术方案，所述聚酰亚胺柔性膜的厚度为2～3μm。
作为优选的技术方案，所述半球形凸起层为柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料。
所述柔性压电式的三维触觉传感器阵列的制备方法，包括下列步骤：
(1)采用真空蒸镀在柔性印刷电路板基底上沉积一层Zn膜，并刻蚀形成M×N排布的每个阵列结点，每个阵列结点具有三个圆形下电极及引出线；
(2)在敷有Zn膜的柔性基底上旋涂聚酰亚胺薄膜，并刻蚀去除圆形Zn膜表面上的聚酰亚胺薄膜，使圆形部分的Zn膜暴露；
(3)在圆形Zn膜表面上生长ZnO纳米线压电敏感膜层；
(4)利用纳米颗粒Ag油墨，采用丝网印刷技术在ZnO纳米线和聚酰亚胺薄膜上形成纳米Ag薄膜，热处理形成传感器单元的上电极；
(5)将PDMS预聚物与固化剂混合、搅匀、抽真空去除气泡，注入到带有半球形凹坑阵列的铝合金模具中固化处理，制作出PDMS半球形凸起层；
(6)对PDMS半球形凸起层的下表面和步骤(4)制备的传感器单元的上电极粘结层上表面进行氧等离子活化，并将这两个表面对准贴合，制备出所述的三维触觉传感器阵列。
作为优选的技术方案，步骤(3)中，所述ZnO纳米线压电敏感膜层是采用水热蒸汽法在Zn膜表面生长ZnO纳米线，形成ZnO纳米线柱充当压电敏感膜，并通过控制工艺条件使ZnO纳米线的高度等于或略低于其周围的聚酰亚胺柔性膜的厚度，且保证圆形Zn膜未全部转化为ZnO纳米线。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：
1、本发明柔性压电式的三维触觉传感器阵列，采用ZnO纳米材料作为压电敏感层，可解决现有柔性触觉传感器低灵敏度和低分辨率问题；
2、本发明柔性压电式的三维触觉传感器阵列，通过PDMS半球形凸起和三个均布压电电容的组合，可以测量出三维接触力的大小和方向，具有结构简单、操作方便的优点；
3、本发明柔性压电式三维触觉传感器阵列，基底层、绝缘隔离膜、纳米结构ZnO压电敏感层、表面半球形凸起层均为柔性材料制备，便于曲面装载，可解决现有刚性触觉传感器阵列在弯曲表面难于装载的问题，有效提高了传感器的适用性；
4、本发明柔性压电式的三维触觉传感器阵列，与现有柔性触觉传感器相比，更好地解决了高灵敏性和高柔韧性之间的矛盾，有效提高了传感器的增益、信噪比和抗干扰能力，更便于应用于各种可穿戴智能电子系统、机器人感知系统、生物医学器件。
附图说明
图1为本发明柔性压电式的三维触觉传感器阵列的立体拆分示意图；
图2为本发明PDMS半球形凸起层的示意图；
图3为本发明上电极层的平面图；
图4为本发明下电极层的平面图；
图5为本发明下电极制备后的传感器单元结构示意图；
图6为本发明绝缘隔离形成后的传感器单元结构示意图；
图7为本发明ZnO纳米线压电薄膜生长后的传感器单元结构示意图；
图8为本发明上电极沉积后的传感器单元结构示意图；
图9为本发明PDMS半球形凸起层制备后的三维触觉传感器单元结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明。
实施例
如图1所示，一种柔性压电式的三维触觉传感器阵列，其结构包括：从上至下依次连接的PDMS半球形凸起层1、上电极层2、纳米结构压电薄膜层3、下电极层5、以及柔性印刷电路板基底层6；所述三维触觉传感器阵列由M×N个相互分离的三维触觉传感器单元构成，所述每个三维触觉传感器单元还包括一个用于绝缘隔离压电敏感电容的聚酰亚胺柔性膜4，如图6所示；
本实施例优选M＝3，N＝4，即3×4共12个传感器单元；所述PDMS半球形凸起层1为表面具有3×4排布的PDMS半球形的图案化的PDMS薄膜，并覆盖于3×4排布的上电极图形上，PDMS半球形凸起层1和上电极层2平面结构分别如图2和图3所示。
所述下电极层5(其平面结构如图4所示)为M×N排布的阵列结点，每个阵列结点为每个上电极正下方的三个圆形下电极(如图5中的第一下电极51，第二下电极52，第三下电极53)，即一个上电极对应三个下电极；如图6所示，在柔性印刷电路板基底上制备聚酰亚胺柔性膜4，并采用刻蚀技术暴露出三个圆形下电极的表面；如图7和图8所示，一个上电极对应三个圆形下电极，与夹心的纳米结构压电薄膜共同形成三个压电敏感电容；一个PDMS半球形凸起正压于所述三个压电敏感电容上，组成一个三维触觉传感器单元，传感器单元立体结构如图9所示；具体地，三个压电敏感电容均布于半球形凸起的正下方，且三个下电极内接于半球形凸起的投影圆面内。
在本实施例中，所述三维触觉传感器单元含一个PDMS半球形凸起和三个压电敏感电容，所述半球形凸起将三维接触力传递至三个压电敏感电容，通过三个压电敏感电容两端产生电荷的大小以测量外界接触力的大小和方向。
如图1所示，所述纳米结构压电薄膜层3为ZnO纳米线压电敏感膜，生长于呈阵列图案化分布的下电极层上，且位于上下电极层之间，形成M×N排布的压电敏感单元。
在本实施例中，所述三维触觉传感器单元中三个压电敏感电容之间采用聚酰亚胺柔性膜4用作隔离膜，位于上电极层和柔性印刷电路板基底层之间，使所述三个压电敏感电容相互之间具体良好的电隔离，并与周围的三维触觉传感器单元绝缘隔离。
在本实施例中，所述PDMS半球形凸起层为柔性聚二甲基硅氧烷材料；所述上电极层为100～200nm厚的纳米颗粒Ag薄膜层；所述下电极为厚度为1～2μm的Zn膜；所述聚酰亚胺柔性膜的厚度为2～3μm。
在本实施例，所述柔性压电式的三维触觉传感器阵列的制备方法，包括下列步骤：
(1)采用真空蒸镀在柔性印刷电路板基底上沉积一层Zn膜，并刻蚀形成M×N排布的每个阵列结点，每个阵列结点具有三个圆形下电极及引出线，如图5所示；
(2)在敷有Zn膜的柔性基底上旋涂聚酰亚胺薄膜，并刻蚀去除圆形Zn膜表面上的聚酰亚胺薄膜，使圆形部分的Zn膜暴露，如图6所示；
(3)采用水热蒸汽法在Zn膜表面生长出ZnO纳米线，ZnO纳米线充当压电薄膜，通过控制工艺条件使ZnO纳米线的高度等于或略低于其周围的聚酰亚胺薄膜的厚度，且不使Zn膜全部转化为ZnO纳米线，未转化的Zn膜充当压电敏感电容单元的下电极，此时传感器单元结构如图7所示；
(4)利用纳米颗粒Ag油墨，采用丝网印刷技术在ZnO纳米线和聚酰亚胺薄膜上形成纳米Ag薄膜，热处理形成传感器单元的上电极，如图8所示；
(5)将PDMS预聚物与固化剂以10:1的质量比混合、搅匀、抽真空去除气泡，注入到带有半球形凹坑阵列的铝合金模具，在80℃的恒温箱中放置3小时进行固化处理，制造成PDMS表面半球形凸起层；
(6)对PDMS半球形凸起层的下表面和步骤(4)制备的传感器单元的上电极粘结层上表面进行氧等离子活化，并将这两个表面对准贴合，制备出所述的三维触觉传感器阵列，完整的传感器单元结构如图9所示。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。
Claims (5)
1.一种柔性压电式的三维触觉传感器阵列，其特征在于，其结构包括：从上至下依次连接的半球形凸起层(1)、上电极层(2)、纳米结构压电薄膜层(3)、下电极层(5)、以及柔性印刷电路板基底层(6)；所述三维触觉传感器阵列由M×N个相互分离的三维触觉传感器单元构成；
所述半球形凸起层(1)为表面具有M×N排布的半球形的图案化薄膜，并覆盖于M×N排布的上电极图形上；所述下电极层(5)为M×N排布的阵列结点，每个阵列结点为每个上电极正下方的三个圆形下电极，即一个上电极对应三个下电极，同时与夹心的纳米结构压电薄膜共同形成三个压电敏感电容，一个半球形凸起正压于所述三个压电敏感电容上，组成一个三维触觉传感器单元；
每个三维触觉传感器单元含一个半球形凸起和三个压电敏感电容，所述半球形凸起将三维接触力传递至三个压电敏感电容，通过三个压电敏感电容两端产生电荷的大小以测量外界接触力的大小和方向；
各个压电敏感电容之间采用聚酰亚胺柔性膜(4)作为绝缘隔离膜，且位于上电极层和柔性印刷电路板基底层之间，使所述三维触觉传感器单元中的三个压电敏感电容相互之间具有电隔离，并与周围的三维触觉传感器单元绝缘隔离；
所述纳米结构压电薄膜层为ZnO纳米线压电敏感膜，生长于呈阵列图案化分布的下电极层上，且位于上下电极层之间，形成M×N排布的压电敏感单元；
所述上电极层为100～200nm厚的纳米颗粒Ag薄膜层；所述下电极为厚度为1～2μm的Zn膜；
所述聚酰亚胺柔性膜的厚度为2～3μm。
2.根据权利要求1所述的柔性压电式的三维触觉传感器阵列，其特征在于：所述三维触觉传感器单元中，三个压电敏感电容均布于半球形凸起的正下方，且三个下电极内接于半球形凸起的投影圆面内。
3.根据权利要求1所述的柔性压电式的三维触觉传感器阵列，其特征在于：所述半球形凸起层为柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料。
4.根据权利要求1～3任一项所述的柔性压电式的三维触觉传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)采用真空蒸镀在柔性印刷电路板基底上沉积一层Zn膜，并刻蚀形成M×N排布的每个阵列结点，每个阵列结点具有三个圆形下电极及引出线；
(2)在敷有Zn膜的柔性基底上旋涂聚酰亚胺柔性膜，并刻蚀去除圆形Zn膜表面上的聚酰亚胺柔性膜，使圆形部分的Zn膜暴露；
(3)在圆形Zn膜表面上生长ZnO纳米线压电敏感膜层；
(4)利用纳米颗粒Ag油墨，采用丝网印刷技术在ZnO纳米线和聚酰亚胺柔性膜上形成纳米Ag薄膜，热处理形成传感器单元的上电极；
(5)将PDMS预聚物与固化剂混合、搅匀、抽真空去除气泡，注入到带有半球形凹坑阵列的铝合金模具中固化处理，制作出PDMS半球形凸起层；
(6)对PDMS半球形凸起层的下表面和步骤(4)制备的传感器单元的上电极粘结层上表面进行氧等离子活化，并将这两个表面对准贴合，制备出所述的三维触觉传感器阵列。
5.根据权利要求4所述的性压电式的三维触觉传感器阵列的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述ZnO纳米线压电敏感膜层是采用水热蒸汽法在Zn膜表面生长ZnO纳米线，形成ZnO纳米线柱充当压电敏感膜，并通过控制工艺条件使ZnO纳米线的高度等于或略低于其周围的聚酰亚胺柔性膜的厚度，且保证圆形Zn膜未全部转化为ZnO纳米线。
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