[发明专利]压电式柔性滑觉传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种压电式柔性滑觉传感器，其特征在于：柔性滑觉传感器从下至上依次由柔性基底层（1）、压电式力敏感层（2）和表面封装层（3）组成；

所述柔性基底层（1）为表面平滑的PDMS空心半球薄层，起支撑作用；

所述压电式力敏感层（2）由n根压电电容传感单元和n+1根电极引线组成，n根压电电容传感单元以同心圆形排列形成压电电容传感阵列，其中n根电极引线与n根压电电容传感单元的半包裹导电涂层（8）分别连接，作为外电极引线（11），用于导通半包裹导电涂层（8）与放大电路正输入端，另外一根电极引线与n根压电电容传感单元的导电芯（6）均连接，作为内电极引线（10），用于导通导电芯（6）与放大电路负输入端；所述压电电容传感阵列从柔性基底层（1）的球面顶端开始沿曲面往下布置，均匀间隔设置；

所述表面封装层（3）为表面平滑的PDMS空心半球薄层，起保护作用，所述表面封装层（3）的内径与柔性基底层（1）的外径适配；

所述压电电容传感单元由芯-壳结构纳米纤维和半包裹导电涂层（8）组成，每根芯-壳结构纳米纤维从内至外依次为导电芯（6）、压电壳（7），压电壳（7）嵌于导电芯（6）和半包裹导电涂层（8）中间，形成压电电容传感单元，在外力作用下，压电壳（7）产生极化，在导电芯（6）和半包裹导电涂层（8）上产生电荷。

2.根据权利要求1所述的压电式柔性滑觉传感器，其特征在于：所述n根外电极引线（11）与n根半包裹导电涂层（8）分别连接；在27根芯-壳结构纳米纤维的一端，使用有机极性的银胶溶液溶解一段压电壳（7），露出里面的导电芯（6），用于连接内电极引线（10）。

3.如权利要求1或2所述的压电式柔性滑觉传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将PDMS预聚物与固化剂混合，搅拌均匀后抽真空去气泡，注入到半球型凹沉铝合金模具（5）中，用半球型凸起铝合金模具（4）做封盖，完成固化后，得到两种尺寸的表面平滑的PDMS空心半球薄层，分别作为柔性基底层（1）和表面封装层（3）；

步骤二、将PEDOT:PSS与聚乙烯吡咯烷酮和二甲基甲酰胺混合，得到导电芯聚合物溶液；将二甲基甲酰胺和丁酮混合得到二甲基甲酰胺/丁酮共溶剂，取聚偏二氟乙烯－三氟乙烯共聚物加入到二甲基甲酰胺/丁酮共溶剂中，得到PVDF-TrFE压电壳溶液；

步骤三、把导电芯聚合物溶液抽入注射器并安装于力控电纺丝平台双通道微量注射泵连接同轴针头内孔的注射通道上，将PVDF-TrFE压电壳溶液抽入注射器并安装于力控电纺丝平台双通道微量注射泵连接同轴针头外孔的注射通道上，使PVDF-TrFE压电壳溶液环形包裹导电芯聚合物溶液；调整喷嘴到柔性基底层（1）的垂直距离，柔性基底层（1）作为打印基板，与四轴联动平台连接，可实现X/Y/Z三轴方向上的平移且可绕Z轴旋转；

步骤四、调节移动平台，使其平移到指定位置，再沿Z轴旋转，设置好喷头流量，当针嘴处出现小液滴时，打开高压电源，调节电场强度，使针头溶液产生泰勒锥形状，开始纺丝；当柔性基底层（1）上绘制出一根均匀的圆弧形芯-壳结构纳米纤维后；移动平台沿Z轴平移指定距离，绘制第二根芯-壳结构纳米纤维，以此类推，共绘制出n根芯-壳结构纳米纤维；n根芯-壳结构纳米纤维以同心圆形排列，从空心半球柔性基底层（1）顶端开始沿曲面往下布置，芯-壳结构纳米纤维从内至外依次为导电芯（6）和压电壳（7）；

步骤五、在芯-壳结构纳米纤维的一端，使用有机极性的银胶溶液溶解一段压电壳（7），露出里面的导电芯（6），用于后期连接内电极引线（10）；

步骤六、制作用于溅射工艺的掩模板（9），用于溅射导电金属，一次性得到覆盖于压电壳（7）上方的半包裹导电涂层（8）和用作电极引线的n+1根导电电极；

步骤七、使用定位平台，将掩模板（9）放于柔性基底层（1）的正上方，使掩模板（9）上的窗口图案与柔性基底层（1）上的芯-壳结构纳米纤维阵列完全对应，用溅射的工艺，得到覆盖于压电壳（7）上方的半包裹导电涂层（8）和用作电极引线的n+1根导电电极，其中1根内电极引线（10）与n根纳米纤维一端露出的导电芯（6）连接，用于导通导电芯（6）与放大电路负输入端；n根外电极引线（11）分别与纳米纤维另一端的压电壳（7）上方的半包裹导电涂层（8）相连，用于导通半包裹导电涂层（8）与放大电路正输入端，至此完成所需的压电式力敏感层（2）的制作；

步骤八、使用定位平台，将柔性基底层（1）、压电式力敏感层（2）和表面封装层（3）合成一体，制备出所述的压电式柔性滑觉传感器（12）。

4.根据权利要求3所述的压电式柔性滑觉传感器的制备方法，其特征在于：步骤六中，掩模板（9）的制备过程如下：

在软件上绘制出柔性基底层（1）及同心圆形排列的芯-壳结构纳米纤维阵列模型，将模型沿柔性基底层（1）垂直法线方向投影到正上方的平面上，得到应用于芯-壳结构纳米纤维阵列上的半包裹导电涂层（8）的图案；再用软件绘制出n+1根电极引线的图案，其中1根内电极引线（10）与n根纳米纤维一端露出的导电芯（6）的部分连接；n根外电极引线（11）分别与纳米纤维另一端的压电壳（7）上方的半包裹导电涂层（8）图案相连；设置所绘图案的线条作为进行金属溅射工艺时的掩模板的窗口图案；根据此图案，用不锈钢做出专用于导电金属溅射工艺的掩模板（9）。