CN207515931U - 一种具有微圆锥台基底的压阻式柔性触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有微圆锥台基底的压阻式柔性触觉传感器。由从上至下依次的柔性薄膜基底、电极阵列、石墨烯薄膜阵列、微圆锥台基底层叠而成，石墨烯薄膜阵列由石墨烯薄膜片阵列排布而成，电极阵列由条状电极组成；电极阵列与石墨烯薄膜阵列紧密贴合，每个石墨烯薄膜片表面的两侧布置有条状电极，由两个条状电极相连形成闭合回路。本实用新型利用微圆锥台基底作为石墨烯薄膜的支撑，受力时产生更大的形变和电阻变化，提高了传感器的灵敏度，解决了石墨烯薄膜与电极之间的连接可靠性问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及柔性触觉传感器，尤其是涉及了一种具有微圆锥台基底的压阻式柔性触觉传感器。
技术背景
随着机器人技术的不断发展，机器人智能化的研究越来越重要。当前，机器人智能化的发展目标之一在于机器人的感知能力以及机器人与人的双向交互能力，触觉传感器是实现这一目标的重要途径。同时，触觉传感器作为可穿戴电子设备之一，在电子皮肤、人体体征检测、人体活动数据收集等多个方面具有重要的应用前景。
触觉传感器可以根据其传感机制分为以下几种：压阻式、电容式、压电式、光学式等，其中，压阻式触觉传感器因其高稳定性、宽动态范围等优点而广受关注。传统的压阻式传感器主要基于金属应变计和微纳硅片制成，柔性差、强度低，难以与机器人或者人体表面进行贴合。而基于有机软材料的压阻式传感器，具有极好的柔性和延展性，能在多个场合下应用，并能减小外部刺激对传感器的冲击破坏，因而更适合可穿戴电子设备的需求。
压阻式柔性触觉传感器的主要制造工艺为导电颗粒和有机软材料的共混制备、压阻材料的成型以及压阻材料与外围电极的贴合装配。其中，压阻材料与外围电极的贴合通常通过导电银胶等具有高导电率、一定粘结性的胶体实现。但目前常用的导电胶体的柔性和延展性较差，因此这一制备的传感器经常会在传感器发生较大形变时因导电胶体断裂或与压阻材料分离而破坏。因此，采用一种更加稳定地结合压阻材料和外围电极对传感器的稳定性至关重要。
实用新型内容
为了弥补现有技术中的缺失，本实用新型的目的在于提供一种具有微圆锥台基底的压阻式柔性触觉传感器，可提高传感器的柔性，增强石墨烯薄膜与电极的连接强度，提升传感器的稳定性。
本实用新型采用的技术方案是：
所述柔性触觉传感器主要由柔性薄膜基底、电极阵列、石墨烯薄膜阵列和微圆锥台基底从上至下依次层叠而成，柔性薄膜基底作为电极支撑，微圆锥台基底作为底部支撑并且用于接收外部力刺激。
所述的石墨烯薄膜阵列主要由石墨烯薄膜片在同一平面阵列排布而成，形成M行×N列的阵列结构，所述的电极阵列主要由布置在石墨烯薄膜阵列上位于石墨烯薄膜片两侧的条状电极组成，所有条状电极在同一平面阵列排布。
所述电极阵列与石墨烯薄膜阵列紧密贴合，每一个石墨烯薄膜片表面的两侧布置有条状电极，每一个石墨烯薄膜片由两个条状电极相连形成闭合回路，并且石墨烯薄膜阵列中每一行的一侧电极通过外围电路串联，每一列的另一侧电极通过外围电路串联。
所述的微圆锥台基底主要是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜和薄膜表面的圆锥台形凸台阵列构成，为具有微米尺度圆锥台凸台阵列结构的柔性薄膜，单个凸台高度约为15～25μm，凸台底部直径20～30μm，圆锥角度50～60°，整个基底厚度约为100～120μm。
本实用新型的微圆锥台基底能够提高石墨烯薄膜在受外力时的形变程度，进而提高石墨烯薄膜的电阻变化，提高传感器的灵敏度。
在传感器受到外力作用时，所述的石墨烯薄膜在受外力作用时内部导电率发生改变，通过石墨烯薄膜感测为电阻变化，进而转换获得所受力的大小。
所述柔性薄膜基底、石墨烯薄膜阵列和微圆锥台基底均采用具有良好柔性和延展性的材料。
所述的柔性薄膜基底和微圆锥台基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。通过超声分散将石墨烯纳米片和聚二甲基硅氧烷均匀地分散在有机溶剂中，通过蒸发将有机溶剂除去，然后将石墨烯和聚二甲基硅氧烷的混合物以旋涂法制备成厚度为数微米厚的薄膜。
本实用新型具有的有益效果是：
本实用新型利用石墨烯纳米片和PDMS制备石墨烯薄膜，薄膜具有良好的导电性和压阻性，同时具备优异的柔性和延展性，因此更适用于电子皮肤等应用需求。
本实用新型利用微圆锥台形状的凸台微结构阵列，对石墨烯薄膜受力时所产生的形变进行放大，进而提高因受力产生的电阻变化，提高了传感器的灵敏度。
附图说明
图1是本实用新型分层结构拆分立体图。
图2是本实用新型传感器单元正视图。
图中：1、柔性薄膜基底，2、电极阵列，3、石墨烯薄膜阵列，4、微圆锥台基底，5、柔性薄膜，6、条状电极，7、石墨烯薄膜片，8、微圆锥台，9、电极掩膜版，10、石墨烯薄膜掩膜版，11、硅模具掩膜版，12、具有微圆锥台凹槽的硅模具。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1、图2所示，本实用新型的压阻式柔性触觉传感器主要由柔性薄膜基底1、电极阵列2、石墨烯薄膜阵列3和微圆锥台基底4从上至下依次层叠而成，柔性薄膜基底1作为电极支撑，微圆锥台基底4作为底部支撑并且用于接收外部力刺激。
如图1、图2所示，石墨烯薄膜阵列3主要由石墨烯薄膜片在同一平面阵列排布而成，形成M行×N列的阵列结构，所述的电极阵列2主要由布置在石墨烯薄膜阵列3上位于石墨烯薄膜片两侧的条状电极组成，所有条状电极在同一平面阵列排布。电极阵列2与石墨烯薄膜阵列3紧密贴合，每一个石墨烯薄膜片表面的两侧布置有条状电极，每一个石墨烯薄膜片由两个条状电极相连形成闭合回路，并且石墨烯薄膜阵列3中每一行的一侧电极通过外围电路串联，每一列的另一侧电极通过外围电路串联。
如图1、图2所示，微圆锥台基底4主要是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜和薄膜表面的圆锥形凸台阵列构成，为具有微米尺度圆锥台凸台阵列结构的柔性薄膜，单个凸台高度约为15～25μm，凸台底部直径20～30μm，圆锥角度50～60°，整个基底厚度约为100～120μm。
如图2所示，以单个传感器单元为例，微圆锥台8能够提高石墨烯薄膜片7在受外力时的形变程度，进而提高石墨烯薄膜7的电阻变化，提高传感器的灵敏度。
本实用新型压阻式柔性触觉传感器，使传感器具有较好的柔性和稳定性；利用微圆锥台形状的凸起微结构对石墨烯薄膜受力产生的形变进行放大，进而提高了传感器的灵敏度；采用旋涂法和等离子体刻蚀将微米级厚度的石墨烯薄膜阵列直接制造在电极上，使石墨烯薄膜和电极之间具备较高的连接强度和可靠性，提升了传感器的稳定性，更适用于电子皮肤等应用需求。
Claims (4)
1.一种具有微圆锥台基底的压阻式柔性触觉传感器，其特征在于：所述柔性触觉传感器主要由柔性薄膜基底(1)、电极阵列(2)、石墨烯薄膜阵列(3)和微圆锥台基底(4)从上至下依次层叠而成，柔性薄膜基底(1)作为电极支撑，微圆锥台基底(4)作为底部支撑并且用于接收外部力刺激。
2.根据权利要求1所述的一种具有微圆锥台基底的压阻式柔性触觉传感器，其特征在于：所述的石墨烯薄膜阵列(3)主要由石墨烯薄膜片在同一平面阵列排布而成，形成M行×N列的阵列结构，所述的电极阵列(2)主要由布置在石墨烯薄膜阵列(3)上位于石墨烯薄膜片两侧的条状电极组成。
3.根据权利要求2所述的一种具有微圆锥台基底的压阻式柔性触觉传感器，其特征在于：所述电极阵列(2)与石墨烯薄膜阵列(3)紧密贴合，每一个石墨烯薄膜片表面的两侧布置有条状电极，每一个石墨烯薄膜片由两个条状电极相连形成闭合回路，并且石墨烯薄膜阵列(3)中每一行的一侧电极通过外围电路串联，每一列的另一侧电极通过外围电路串联。
4.根据权利要求1所述的一种具有微圆锥台基底的压阻式柔性触觉传感器，其特征在于：所述的微圆锥台基底(4)主要是由聚二甲基硅氧烷膜和膜表面的圆锥台形凸台阵列构成，单个凸台高度约为15～25μm，凸台底部直径20～30μm，圆锥角度50～60°，整个基底厚度约为100～120μm。
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