[发明专利]一种多功能柔性传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电子皮肤领域，并公开了一种多功能柔性传感器及其制备方法和应用。该多功能柔性传感器包括电容层，该电容层从下自上包括底层柔性衬底、底电极、中间介电层、导电电极、顶电极和顶层柔性衬底，其中，底电极为平板电极，中间介电层上设置有多个高低起伏的柔性凸起，顶电极上每个平板电极上设置有一根引线，两个平板电极上的引线末端相对设置形成缺口，导电电极设置在缺口正下方，当导电电极未嵌入缺口时，两个平板电极形成电容，当顶层柔性衬底受到外力时，顶电极向下运动，导电电极嵌入缺口，两个平板电极导通形成电阻，同时顶电极与底电极形成电容。通过本发明，实现温度、距离和应力的测量，降低对引线的数量和引线接口的需求。

技术领域

本发明属于电子皮肤领域，更具体地，涉及一种多功能柔性传感器及其制备方法和应用。

背景技术

随着新材料的发现以及工艺的进步，柔性电子学领域获得了长足的发展，为了获得柔性的压力传感器件，通过将有机或无机电子学材料集成到柔性衬底上，并采用一定的微结构，得到性能不低于甚至超过传统的刚性传感器件。皮肤作为人体最大的器官，在皮肤组织中分布着一个庞大而密集的传感网络，比如在人体的手中分布有各种感受器，包括疼痛感受器、温度感受器和机械性刺激感受器等，可用于静态力、皮肤的拉伸、振动、温度、物体的滑动、纹理和硬度的识别等。各种感受器具有较高的分布密度，如在人体指间上温度感受器密度为4个/cm²，压力感受器为70个/cm²，静态力感受器为48个/cm²，动态力感受器为163个/cm²。因此，为了让机械手具有如人手般的感知能力，甚至超越人手的感知能力，发展一种具有柔性大面积、多功能、高集成度传感的电子皮肤具有非常重要的意义。

而要在1cm²内集成数百个不同功能的传感单元并且每个单元都是一个独立的传感模块，其占用空间和接口引线数量互不干扰，这样就会造成器件所需要的端口引线数量极大。发明专利CN106595940A提出的一种柔性多功能传感器，利用敏感材料的电阻变化实现压力和弯曲的测量，但是该发明集成的物理量少、面积小，且两种量之间会互相耦合。专利CN201210243282.9提出了一种用于机器人皮肤的柔性复合阵列传感器，在基底的同一面上分别设置了压力传感器、温度传感器和湿度传感器，此种集成方式占用空间大，同样不适用于大面积高密度集成。Hua等人采用纵向增加功能层的方式，在柔性电子皮肤上集成了温度、应变、加热、磁场、湿度、接近和光强的测量单元(文献“Hua Q,Sun J,Liu H,etal.Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks formultifunctional sensing[J].Nature communications,2018,9(1):244.”)。上述专利和文献中多功能传感器，虽然能实现多种物理量的测量，但增加一种功能就需要增加一种功能层，即功能层数与功能数为一对一的关系。采用这种集成方式，随着功能数的增多、传感密度的增大，会使工艺复杂、引线接口增多、增大对硬件资源的消耗。另外，采用一种功能层对应两种功能的方式，但这两种功能所测物理量之间会相互耦合，也不可取。

因此，随着传感和激励模块数量的不断增加，柔性传感器的功能数量与端口(或引线)数量的比例低，导致系统资源负担高，器件的制备工艺复杂，空间利用率低，电路硬件部分需要更加高昂的费用，研制一种具有弯曲、振动、三向压力、物体的接近和温度测量的电子皮肤，解决电子皮肤现存的功能单一、引线接口多和空间利用率低的问题，还原机械手的触觉感受是本发明的研究目标。

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柔性传感器及其制备方法和应用，其通过在电容层中的底电极和顶电极层的设计，尤其是顶电极的设计，实现了电阻式和电容式电极在受力时的自由切换，以及采用电容传感器n×n的阵列组合，结合压电层电极的测量方式的切换，可实现弯曲、振动、温度、距离和三向应力(正应力和剪应力及其组合)的测量，以此降低了对功能层的数量和引线接口的需求。