[发明专利]一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器

说明书

本发明公开了一种基于离子材料的温度‑压力自解耦多模态柔性传感器柔性电极阵列与粘合层层叠布置，粘合层中嵌装离子凝胶阵列；结构化离子凝胶薄层、导电层和结构化柔性基底均设置有凸起结构阵列并依次层叠布置，凸起结构阵列与离子凝胶阵列之间相对接触布置导电层与信号输出接口电连接，离子凝胶阵列的下表面与结构化离子凝胶薄层接触；柔性电极阵列、离子凝胶阵列、结构化离子凝胶薄层和导电层构成电容式压力传感器，柔性电极阵列和离子凝胶阵列和构成电阻式温度传感器。本发明可同时检测温度、压力和接近三种感知模态，温度和接近感知模态通过压力感知模态中的部分结构实现，集成度高，空间紧凑。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域的一种柔性传感器，具体涉及了一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器。

背景技术

人体皮肤柔软、可自我修复，并能感知细微的环境差异，如微风，这刺激了对人造类皮肤材料的大量研究，机器完成智能抓取工作时，需要对抓取力度进行准确的判断，保证在不损坏目标的前提下完成。

离子凝胶是一种具有离子导电性的固态混合物，通常是由高分子有机聚合物和可电解为离子的盐类电解质材料混合而成，因其聚合物分子链互相连接或缠绕，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的阴阳离子，与传统凝胶的结构相似，因而称其为“离子凝胶”。组成离子凝胶的高分子多为胶状嵌段共聚物，共聚物会形成交联的网状结构，为离子凝胶提供了较高的拉伸强度，同时网状结构也为离子的运动提供了通道。混合在高分子共聚物里的离子液为熔融态强电解质，这种强电解质在熔融态会以阴、阳离子的状态存在与离子凝胶中。由于共聚物的功能团有很多配位位点，所以在没有外加电场的状态下阴、阳离子大多以配位键与共聚物的功能团相连，分散在整个离子凝胶当中。而在外电场作用下，离子在聚合物链和离子配位位点之间的局部运动产生阴阳离子的迁移，从而在离子凝胶介电层内部产生不均匀的电荷分布，阴阳离子分别堆叠在介电层界面两端，形成双电层。

温度也会改变离子的分布。随着温度的升高，离子的数量会增加，因为更多的离子会从聚合物网络中脱离出来。此外，随着温度的升高，离子会获得更多的能量，因此离子的运动速度会更快。当在离子材料上施加电位差时，更多的离子会移动到电极表面(即极化程度更高)。由于这两种现象的存在，电容会随着温度的升高而增大。因此在利用电双层效应测试带温度的物体产生的压力时，由于产生接触，会导致温度的变化，进而改变测得的电容，导致所测得压力出现误差。因此，需要对温度压力的双重影响进行解耦，排除温度变化导致的电容变化，准确测得所受压力。

发明内容

为了解决在利用电双层效应测试压力时，由于产生接触，会导致温度的变化，进而改变测得的电容，导致所测得压力出现误差，并实现接近感应的功能，本发明提供了一种基于离子材料的温度-压力自解耦多模态柔性传感器。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括顶层结构与底层结构，顶层结构与底层结构上下层叠布置；

顶层结构包括柔性电极阵列、粘合层和离子凝胶阵列，柔性电极阵列与粘合层上下层叠布置，粘合层中开设通槽阵列，粘合层的通槽阵列中嵌装离子凝胶阵列，离子凝胶阵列的上表面与柔性电极阵列接触，其中离子凝胶阵列中的每个离子凝胶单元完全覆盖柔性电极阵列中对应的柔性电极单元；离子凝胶阵列的下表面与底层结构的上表面接触；

底层结构包括结构化离子凝胶薄层、导电层、信号输出接口和结构化柔性基底；结构化离子凝胶薄层、导电层和结构化柔性基底从上到下依次层叠布置，结构化离子凝胶薄层、导电层和结构化柔性基底中均设置有凸起结构阵列，凸起结构阵列与离子凝胶阵列之间相对接触布置导电层与信号输出接口电连接，离子凝胶阵列的下表面与结构化离子凝胶薄层接触；柔性电极阵列、离子凝胶阵列、结构化离子凝胶薄层和导电层构成电容式压力传感器，其中柔性电极阵列和导电层分别作为电容式压力传感器的两个电极板，离子凝胶阵列和结构化离子凝胶薄层作为电容式压力传感器的电介质层；