[发明专利]一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列及其制备方法

说明书

本发明公开了一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列及其制备方法，从上至下依次包括密封层、离子交换树脂薄膜、电极层和双面胶层；离子交换树脂薄膜朝向电极层的一侧设置有上下表面面积不等的微结构，电极层采用底面单侧布置，正负电极布置在离子交换树脂薄膜的同侧；双面胶层设置在待测物的表面，通过电极层外接测试电路进行测试。本发明具有结构柔性化、灵敏度高、低噪声、成本低，能够感知压力大小和位置的优势，在机器人触觉、柔性触控等方向有着重大的借鉴意义。

技术领域

本发明属于压力传感技术领域，具体涉及一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列及其制备方法。

背景技术

近年来，柔性聚合物及以其为基底的功能复合材料受到广泛关注，柔性聚合物制作的人工皮肤传感器在柔性机器人、柔性医疗器械、柔性触控等领域具有广阔的发展前景。柔性感知材料包括有源传感材料如离子交换树脂或PVDF压电聚合物（pvinylidenefluoride）与无源传感材料如纳米颗粒复合硅橡胶或力敏橡胶。离子交换树脂是一种新型柔性聚合物有源传感材料，相比于无源传感，自身能够将力学量转换成电信号，外围电路简单，无需工作电源；相比其它柔性有源传感材料，其工艺性好，这类聚合物可以采用溶液成膜或者熔融铸膜等工艺加工，能够任意塑形，并且基于离子迁移运动感知外部力的工作原理使其具有天然仿生特点。

然而，目前柔性有源传感器面临感知结构不合理导致传感性能差和小型阵列化制造工艺复杂等问题。基于柔性感知材料设计研发的传感器主要用于感知弯曲，对压力形式的感知研究很少，传感性能较差主要表现在低响应幅值，传统悬臂梁结构的柔性感知装置电压响应幅值仍在1-10mV量级范围。

现有研究主要集中在电容式和压阻式的柔性感应装置，而对于离子交换树脂材料的柔性有源压力感应装置鲜有研究，相比单一的离子交换树脂材料传感器，离子交换树脂材料阵列化形成的人工皮肤，具有矢量测量和分布测量的功能，应用更为广泛，而这方面的研究也很少；现有的柔性有源传感器在电极布置方案上，大都采用的三明治结构，即就是上下两片电极片中间夹着感知材料，这样的设计一方面感应装置灵敏度不高，组装困难，另一方面由于物理接触导致的不稳定性难以解决，接触不稳定同时也带来很大的噪声干扰，严重制约了柔性传感装置的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列及其制备方法，具有结构柔性化、灵敏度高、低噪声的特点，用于人工皮肤的受力大小与位置感知。

本发明采用以下技术方案：

一种单侧电极离子聚合物压力感知阵列，从上至下依次包括密封层、离子交换树脂薄膜、电极层和双面胶层；离子交换树脂薄膜朝向电极层的一侧设置有上下表面面积不等的微结构，电极层采用底面单侧布置，正负电极布置在离子交换树脂薄膜的同侧；双面胶层设置在待测物的表面，通过电极层外接测试电路进行测试。

具体的，微结构包括棱台、金字塔、圆台或圆锥结构。

具体的，离子交换树脂薄膜采用溶液铸膜方式制成，具体为：

以铜片或毛玻璃作为铸膜的模具，将浓度5%~20%的Nafion溶液与二甲基乙酰胺按照（1~4）:1的比例配置，通过浓缩获得25%~33%的铸膜液；将铸膜液涂布在模具表面，经60~80℃真空烘干处理得到膜；将铜片和膜置于去离子水中，在超声辅助作用下进行脱膜得到具有微阵列结构的离子聚合物薄膜。

具体的，离子交换树脂薄膜上设置有凸起点或凹陷点；凸起最高点的厚度与离子交换树脂薄膜的平均厚度之差为10~200μm；凹陷最低点的厚度与离子交换树脂薄膜的平均厚度之差为10~200μm；相邻两凸起点或凹陷点之间的距离为10~400μm。

具体的，电极层上设置有正电极点和共用接地电极，正电极点包括多个，阵列设置在电极层上形成阵列电极，每个正电极点单独引线用于连接外部电路。