[发明专利]基于微纳米纤维结构的触觉传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种触觉传感器及其制备方法，尤其是涉及一种基于微纳米纤维结构的触觉传感器及其制备方法。

背景技术

微纤毛感受器是一种普遍存在于动物世界的机械刺激感知系统。这些微纤毛感受器的直径范围从纳米尺寸到微米尺度，长度则从20微米到1.5毫米不等。利用这些微纤毛结构及与之相连的神经系统，动物可以感知外界的力刺激。随着微加工技术的不断提高，通过模拟生物微纤毛感知系统的人工微纤毛结构的研究，成为近年来传感器与微制造领域的一个研究热点，如美国与欧盟框架项目都相继投入大量的研究基金启动了美国卡耐基梅隆纳米机器人实验室的Nanofiber项目、伊利诺斯大学纳米制造实验室的Artificial hair receptor项目以及欧盟的Cilia项目等。

现有的触觉感知方法主要有电阻式、电容式、压电式及光学方法，而受制于传统的微加工方法限制，其敏感元件的形状多采用平板式或悬臂梁式，少数利用传统刻蚀方法加工成的直立式悬空结构则由于长宽比过小，降低了其敏感程度，且其加工工艺过于复杂。

拉伸成丝法和静电纺丝法都是常用的用于制备高极高长宽比的化学纤维的方法，但由于其长宽比过大，无法得到直立悬空结构；尤其是对于静电纺丝法来说，通常只能获得方向随意弯曲的、纤维连续的无纺垫结构，而无法在特定位置制备纤维机构。因此，有必要发展出新的聚合物微纳米级纤维制备方法，以达到在特定位置制备微纳米级的，具有直立式悬空结构的高长宽比功能性纤维的目的，从而提高触觉传感器的灵敏度，简化其制备过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微纳米纤维结构的触觉传感器及其制备方法，利用聚合物微纳米级纤维拉伸制备方法，模仿动物的微纤毛感知结构，在特定位置制备微纳米级的，具有直立式悬空结构的高长宽比功能性纤维作为机械感知器，从而提高触觉传感器的灵敏度，简化传感器的制备过程。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一、一种基于微纳米级直立纤维敏感结构的触觉传感器：

在基底中心安装底部大、而上部为圆锥状的具有压电特性的微纳米级直立悬空纤维或压阻特性的微纳米级直立悬空纤维，在微纳米级直立悬空纤维外对称包覆一组电极，用硅橡胶封装材料封装在基底上，两个电极分别用金属引线与设置在基底的各自外置金属电极连接。

所述一组电极是在圆锥状的具有压电特性的微纳米级直立悬空纤维段沿长度径向对称包覆。

所述一组电极是在圆锥状的具有压阻特性的微纳米级直立悬空纤维段轴向上下环形对称包覆。

二、一种基于微纳米级直立纤维敏感结构的触觉传感器的制备方法：

将具有压电或压阻特性的溶质材料与溶剂相混合以配备出具有压电或压阻敏感特性的，且同时适于拉伸的粘性溶液；利用微量注射泵将该溶液从微型针头中挤出，再通过操纵三维操作平台沿垂直方向运动，以制备出具有敏感特性的微纳米级直立悬空纤维，并利用硅橡胶材料对制备出的微纳米级直立悬空纤维阵列进行封装；该方法的具体步骤如下：

(1)常温下，采用聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液来获得具有压电特性的拉伸原料，采用聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液来获得具有压阻特性的拉伸原料；其混合质量比对于聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺溶液，采用20％-35％；对于聚氨酯和二甲基甲酰胺溶液，采用20％-30％；配制过程中采用搅拌方法以使溶质与溶剂充分混合，采用电磁搅拌、超声波搅拌或被动式混合器搅拌；

(2)将加热板固定于自动三维操作平台上，基底固定于加热板上，加热板保持摄氏70-80度，玻璃毛细管微型针头安装于手动三维操作平台上，该针头的前端垂直正对基底，后端与微量注射泵相连；调节手动三维操作平台以调整玻璃毛细管微型针头相对于基底的初始位置，同时使微量注射泵将溶液从玻璃毛细管微型针头中挤出到基底上，并使载有基底的自动三维操纵平台以加速运动方式向下移动，对挤出的溶液进行拉伸，其运动方式为匀加速直线运动或变加速直线运动；在拉伸的过程中，溶液中的溶剂蒸发，溶液发生固化，并最终使直立纤维的顶部与玻璃毛细管微型针头处的挤出溶液发生拉伸断裂，从而形成微纳米级直立悬空纤维；

(3)微纳米级直立悬空纤维包覆电极后，采用铸模方式对最终制备完成的微纳米级直立悬空纤维进行封装，将该微纳米级直立悬空纤维倒立置于装满乳胶状硅橡胶溶液的模具中，电极用导线引出，静置24小时，待硅橡胶成型后将整体拿出，形成最终的触觉传感器；