[发明专利]能同时检测力的大小和方向的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器

说明书

本发明公开了一种能同时检测力的大小和方向的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器。该传感器整体结构类似于“三明治结构”，其顶电极为柔性可拉伸圆形电极，底电极为作为拉伸敏感模块的采用渗透‑翻模工艺制备的仿蜘蛛网状柔性可拉伸电极，中间为作为压力敏感模块的三维管状石墨烯海绵。本发明的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器可以有效地实现力的大小和方向的同时高灵敏度检测。

技术领域

本发明属于柔性电子及可穿戴器件领域、新材料技术及微电子系统领域，具体为一种能同时检测力的大小和方向的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器。

背景技术

随着信息社会的发展与物联网技术的不断进步，人们对周边环境信息的采集深度与广度不断提升。传统的传感器由于其自身刚性的阻碍，可能导致信号传导质量差等问题。相比之下，柔性传感器因其可与任意移动部件或曲面兼容的特性，可以更有效地捕获目标分析物并生成更高质量的信号。柔性传感器在机器人、生物医疗、可穿戴设备、可植入的健康检测设备以及人机交互等领域有着广泛的应用前景。

触觉感知是柔性电子应用中灵巧操作物体所必需的。特别是，实时测量和辨别力的方向、接触面和接触位置的能力对于具有触觉反馈的机器人来说是至关重要的。然而，这一功能的实现需要多个刺激被传感元件转换成耦合或分离的信号。到目前为止，由于材料的多功能性和设备独特的几何形状的关键要求，只有有限的例子应变压力传感器已经被证明。

将可拉伸电极和压阻弹性体集成到一个像素中，是实现应变/压力双参数传感功能的有效方法。可伸缩电子器件的发展已成为非刚性电子领域的最新研究趋势之一，并有望进一步将电子器件的应用扩展到可附加的人体贴片和柔性机器人上。同时，作为下一代电子器件关键元件之一的高弹性导电材料已成为实现高灵敏度压阻传感器的最有效策略。在此之前，已经有一些关于使用有机弹性体作为框架的报道，在框架上吸附导电材料。但该方法有一个非常重要的缺点，即导电材料吸附不均匀，容易脱落。

自然界常常为工程领域的发展提供灵感，特别是具有各种仿生结构的人造电子器件。蜘蛛网是蜘蛛捕食的重要方式。当猎物附着在蛛网上时，蜘蛛可以通过感知蛛网的振动来快速识别猎物的方向。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于制备一种仿蜘蛛网状柔性触觉传感器，该传感器能够有效地同时监测力的大小和方向。

本发明的技术方案具体介绍如下。

一种能同时检测力的大小和方向的仿蜘蛛网状柔性触觉传感器，其整体呈三明治形状，从上到下依次为顶电极、压力敏感模块和底电极；顶电极为信号输入端，压力敏感模块为三维管状石墨烯海绵，底电极为拉伸敏感模块；其中，顶电极和底电极均为采用渗透-翻模工艺制备的基于银纳米线Ag NWs/碳纳米管（CNTs）复合纳米材料的可拉伸电极，顶电极为圆形电极，底电极为仿蜘蛛网状电极。

本发明中，渗透-翻模工艺制备的基于Ag NWs/CNTs复合纳米材料的可拉伸电极的制备方法如下：

（1）将包含Ag NWs和CNTs的杂化复合导电墨水喷涂到模板上，该模板固定于硅片上；

（2）待导电墨水干燥，去除模板，得到导电层；

（3）将标准聚二甲基硅氧烷PDMS旋涂到导电层上，在高真空中处理，使得PDMS渗透

到导电层中；

（4）固化PDMS，翻模得到柔性仿蜘蛛网状可拉伸电极，该电极中，AgNWs/CNTs杂化复合纳米材料在PDMS中形成高效的渗透网络；其中：

当步骤（1）中的模板为圆形模板时，步骤（4）制得顶电极；当步骤（1）中的模板为蜘蛛网状模板时，步骤（4）制得底电极。

本发明中，杂化复合导电墨水中，分散剂为无水乙醇，Ag NWs和CNTs的质量比为3:1。