[发明专利]一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法

说明书

本发明属于柔性传感器领域，并公开了一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法，该传感器包括上电极层、中间介质层和下电极层，上和下电极层结构相同，均包括柔性基体材料和镶嵌在基体材料中的液态金属；中间介质层介于上和下电极层之间，其中设置有多个微米级的孔；当传感器受到压力、拉力或被导体靠近时，通过测量传感器电容的变化获得该传感器受到的压力、拉力或导体与传感器之间的距离的大小；当待测对象与上电极层摩擦发生时，通过测量上电极层中电压的变化获得待测对象对上层电极施加的压力大小。本发明还公开了该传感器的制备方法。通过本发明，结合电容传感和摩擦发电两种传感原理，实现柔性传感器的高灵敏度和多功能测量。

技术领域

本发明属于柔性传感器领域，更具体地，涉及一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法。

背景技术

随着科技与社会的发展，机器人的应用正逐渐由科研、工业自动化领域向医疗、家庭服务等领域拓展。实现机器人与外界环境之间的互动的前提是机器人可通过自身所携带的传感器系统检测到外界环境与人类的信息。覆盖在机器人表面的大面积、柔软、具有触觉感知和数据处理能力的微型传感器阵列称之为电子皮肤。电子皮肤获取外界环境信息是仅次于机器人视觉的重要感知形式，是机器实现与外界环境直接作用的必要媒介之一。

目前对全柔性化、多功能化机器人柔性电子皮肤多集中于触觉感知，而取法接近感知能力，无法在作用对象接近时做出反应，而本发明所提供的一种用于机器人电子皮肤的可拉伸传感器为解决上述问题提供了可能，该传感器传感原理基于电容传感和摩擦发电，既可以检测压力，也可以检测空间定位距离，同时还能测量应变。

柔性电子技术脱胎于硬质电子技术，因此也大量采用了传统的半导体工艺，但是一些柔性材料对传统工艺的适应性并不好，因此改进工艺是十分必要的，本发明提供了一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法。

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传感的柔性传感器及其制备方法，其通过利用上和下电极层形成电容传感，利用摩擦层摩擦发电，结合电容传感和摩擦发电两种传感原理，实现待测对象空间定位，压力传感和拉伸产生应变测量的功能，实现柔性传感器的高灵敏度和多功能测量。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，该传感器包括上电极层、中间介质层和下电极层，其中：

所述上电极层和下电极层的结构相同，均包括柔性基体材料和镶嵌在该基体材料中的液态金属，所述上电极层的表面积大于所述下电极层的表面积，使得二者之间产生电容的边缘效应；所述中间介质层介于所述上、下电极层之间，材料为与所述上下电极相同的柔性基体材料，该中间层中设置有多个微米级的孔形成微米孔结构；

当所述传感器受到压力、拉力或被导体靠近时，上下电极层之间的电容发生变化，通过测量所述传感器电容的变化获得该传感器受到的压力、拉力或导体与所述传感器之间的距离的大小；

当待测对象与所述上电极层摩擦发生时，通过测量所述上电极层中电压的变化获得待测对象对所述上层电极施加的压力大小。

进一步优选地，所述上电极层上还设置有摩擦层，该摩擦层采用与上电极层相同的柔性基体材料，其表面粗糙度Ra为1.6μm～6.4μm，当待测对象采用15KPa以下的力与该摩擦层发生摩擦时，通过检测所述上电极层上电压的变化获得待测对象施加的力的大小，提高所述传感器的灵敏度。

进一步优选地，所述上下电极层之间的距离优选为50μm～200μm，上和下电极层的厚度优选为100μm～200μm，所述微米孔的直径优选为70μm～210μm。

进一步优选地，所述柔性基体材料优选为PDMS、ecoflex、PI、PTFE或PET。

进一步优选地，所述液态金属优选采用镓合金。