[发明专利]一种仿生纤毛结构的多信息柔性触觉传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种仿生纤毛结构的多信息柔性触觉传感器，其特征在于，包括相互结合作用的纤毛阵列传感单元和压电薄膜传感单元，纤毛阵列传感单元包括12个纤毛传感器(1)以矩形阵列形式共置于一个公共基质层(2)上，纤毛传感器(1)包括从内至外层层设置的内电极(12)、压电传感层(13)、屏蔽层(14)以及护套保护层(15)，内电极(12)采用导电金属材料，压电传感层(13)采用压电材料，护套保护层(15)采用聚合物材料，对纤毛传感器(1)整体起保护作用，每根纤毛传感器(1)的内电极(12)分别引出信号线，屏蔽层(14)引出接地引线；

压电薄膜传感单元从上至下分为上电极层(3)、压电薄膜层(4)、凸点层(5)、下电极层(6)和保护层(7)，压电薄膜层(4)采用PVDF纳米纤维薄膜，凸点层(5)为经过加工的铜箔，铜箔表面以阵列形式排布有多个半球状凸点结构，在上电极层(3)上引出信号电极(8)，在下电极层(6)上引出接地电极(9)；

多通道信号调理电路(10)设置有与每根纤毛传感器(1)一一对应的信号输入端子(11)以及一个额外的与信号电极(8)的引出线连接的信号输入端子(11)，每根纤毛传感器(1)的内电极(12)引出的信号线分别连接于多通道信号调理电路(10)的对应的信号输入端子(11)，信号电极(8)的引出线连接于多通道信号调理电路(10)的另一个信号输入端子(11)，屏蔽层(14)引出的接地引线以及接地电极(9)的引出线共同连接于多通道信号调理电路(10)的接地端子。

2.根据权利要求1所述的一种仿生纤毛结构的多信息柔性触觉传感器，其特征在于，公共基质层(2)的材料为聚二甲基硅氧烷。

3.根据权利要求1所述的一种仿生纤毛结构的多信息柔性触觉传感器，其特征在于，纤毛传感器(1)以内电极(12)为中心，内电极(12)采用导电银柱或铜柱，在内电极(12)外表面涂敷压电传感层(13)，屏蔽层(14)上覆盖有铜网，在屏蔽层(14)外部用聚二甲基硅氧烷制备成护套保护层(15)。

4.根据权利要求1所述的一种仿生纤毛结构的多信息柔性触觉传感器，其特征在于，压电薄膜层(4)的材料为PVDF纳米纤维，PVDF纳米纤维的纤维层厚度为50-500微米。

5.根据权利要求1所述的一种仿生纤毛结构的多信息柔性触觉传感器，其特征在于，凸点层(5)的铜箔厚度为50-200微米，铜箔上的多个凸点结构的分布方式采用矩形阵列或环形阵列。

6.根据权利要求1所述的一种仿生纤毛结构的多信息柔性触觉传感器，其特征在于，保护层(7)采用聚合物材料。

7.根据权利要求6所述的一种仿生纤毛结构的多信息柔性触觉传感器，其特征在于，保护层(7)具体采用聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷制成。

8.一种权利要求1至权利要求7中任意一项所述的一种仿生纤毛结构的多信息柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)制备公共基质层(2)：

将PDMS预聚物与固化剂以10:1的比例充分混合，配置得到PDMS溶液，将PDMS溶液放入真空干燥器中，去除搅拌过程产生的气泡，将PDMS溶液旋涂在硅片表面，设置前转转速1000-1500r/min，持续时间40s-60s，设置后转转速4000-6000r/min，持续时间60s-90s；随后将PDMS溶液置于80-100℃环境下热固化50-80min，剥离后制得100-500微米厚度的公共基质层(2)；

(2)制备纤毛传感器(1)：

选取半径为0.5mm的高导电性银柱作为内电极(12)，选取100-300微米厚度的PVDF纳米纤维薄膜均匀涂覆在银柱外表面，采用铜丝编织而成的铜网作为屏蔽层(14)螺旋缠绕包裹在PVDF纳米纤维薄膜外侧，将PDMS预聚物与固化剂以8:1的比例配置PDMS溶液，将铜网包裹着的PVDF纳米纤维薄膜以及内电极整体坐落于设计好的纤毛形状结构的模具中，向模具中添加PDMS溶液，在60℃下固化3h，制得纤毛传感器(1)，在内电极(12)处引出信号线，在屏蔽层(14)处引出接地引线，重复本过程以制备12根纤毛传感器(1)；

(3)键合：

使用水溶性胶带将12根纤毛传感器(1)平整拾取，将12根纤毛传感器(1)的底部与水溶性胶带完全粘附，每根纤毛传感器(1)的顶部暴露，在每根纤毛传感器(1)的暴露面上沉积一层铬和一层二氧化硅；将公共基质层(2)置于等离子清洗机中，先用氧气进行表面氧化处理，实现清洁作用，然后迅速将黏有12根纤毛传感器(1)的水溶性胶带与公共基质层(2)热压键合为一个整体后再将其置于水中使得水溶性胶带完全溶解，从而得到纤毛阵列传感单元；

(4)制备压电薄膜传感单元，选取50-500微米厚度的PVDF纳米纤维薄膜作为压电薄膜层(4)，对50-200微米厚度铜箔进行加工，使其表面以矩形阵列或环形阵列的形式均匀分布半球状凸点结构进而制得凸点层(5)，在压电薄膜层(4)下表面垂直放置凸点层(5)，在压电薄膜层(4)上表面通过真空蒸镀方法覆盖100nm厚的铝电极层进而构成上电极层(3)，在凸点层(5)下表面通过真空蒸镀方法覆盖100nm厚的铝电极层进而构成下电极层(6)，在上电极层(3)引出信号电极(8)，下电极层(6)引出接地电极(9)，在下电极层(6)下方进行聚合物封装构成保护层(7)，得到压电薄膜传感单元；

(5)制备多通道信号调理电路(10)：

包括电荷转换、电压放大、低通滤波以及模数转换电路，同时在输入端焊接信号输入端子(11)和接地端子，将内电极(12)引出的信号线一一对应地连接到对应的信号输入端子(11)上，信号电极(8)的引出线连接到其中一个信号输入端子(11)上，将屏蔽层(14)引出接地引线，屏蔽层(14)引出的接地引线以及接地电极(9)的引出线共同连接到多通道信号调理电路(10)的接地端子上。