[发明专利]一种以天然微结构为模板的电容型柔性压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其是柔性压力传感器或电子皮肤的设计。

背景技术

在科学技术日新月异的21世纪，生物力学和医学工程是一门新兴的交叉学科，新材料是发展快、潜力大、应用范围广的热门研究领域。电子皮肤是将新材料技术应用于生物力学和医学工程的产物。对于无论是广泛应用的机械手、机械臂，还是日益流行的可穿戴电子设备，或是临床医学的人类皮肤替代物，由压力传感器和其他传感器集合而成的电子皮肤都是重要元件。为了满足这些应用的需求，研制高灵敏度、高柔性、优良弹性、大规模集成、高空间分辨率的压力传感器已成为电子皮肤的重要发展方向。

近年来，随着世界范围内对于电子皮肤的研究的拓展和深入，有许多新的电子皮肤的设计被提出，但是很多由于器件缺乏机械柔性、弹性、机械强度，或是由于制备器件的工艺过程过于复杂、成本过高，都难以满足上述应用的需求。为了准确便捷地测量在实际应用情况下电子皮肤表面的应力分布，必须设计适用于压力测量的新型电子皮肤。

电子皮肤(Electronic Skin)与人造皮肤(Artificial Skin)有区别，后者只包含用于医学的皮肤替代物，而前者则包含更多具有与皮肤相似的性质的电子元件，目前国际上对其尚无统一的定义。本文认为，电子皮肤是一种利用传感器技术和新材料技术制作的能够模仿人类皮肤保护和感知等功能的电子原件或集成电路。首先，电子皮肤应该像人类皮肤一样具有柔性，即可以任意弯曲变形而性能不受显著影响，且厚度应该在理想范围内(小于1cm)；其次电子皮肤应该具有灵敏性，即既可以探测微小的压力变化，压力的空间分辨率也应该足够高；最后，电子皮肤还应该具有一定的机械强度，能够像人类皮肤一样保护内部结构。

早在1991年，T.R.Jensen^[1]等和E.S.Kolesar^[2]等就研制出了用于机器人的具有触觉功能的电子皮肤。该电子皮肤利用传感器组成的传感器阵列测量压力，但是其可靠性和稳定性无法满足使用需求。2004年，日本东京大学T.Sorneya课题组报道了一块具有触觉功能的柔性电子皮肤^[3]。该电子皮肤将微型橡胶电阻传感器拉制成分子半导体晶体大小并制作到衬底材料上，传感器形成阵列制作成可改变形状的柔性电子皮肤，被用于机器人且能够同时测量压力和温度^[4]。由于采用了多晶技术，该电子皮肤非常薄，且弯曲并不会显著影响其性能。该电子皮肤的缺点是由于采用了电阻式压力传感器，为了达到弯曲的效果牺牲了响应水平。

2010年，美国斯坦福大学的鲍哲楠教授及其研究团队在英国权威杂志《Nature materials》上发表了一种基于柔性电容式压力传感器的电子皮肤的设计^[5]。该电子皮肤以蒸镀了氧化铟锡的塑料薄膜为电极，聚二甲基硅氧烷(PDMS)为介电层。通过对聚二甲基硅氧烷表面进行微结构处理使之表面形成柱状或者金字塔形状，增加了它对压力的敏感度。次年，该研究团队再次发表了一种基于碳纳米管薄膜的电容式压力传感器的电子皮肤^[6]。传感器将碳纳米管(CNT)附着在柔性底板上，取代了之前蒸镀了金属氧化物的薄膜。虽然此处使用纳米材料的尝试没有解决所有问题，但这无疑给了我们启发：在传统的设计中使用新兴材料，有时可以达到意想不到的效果。在电容式压力传感器中，由于纳米导电材料的纳米尺度效应，电极表面纳米材料区域浓度随压力会发生变化，且变化的大小与初始浓度有关。同时，由于纳米材料(此处为碳纳米管)的自身性质，制得的电子皮肤也具有更好的可拉伸性，在拉伸之后电极导电性不会发生减弱，甚至有所提高。这一性能的改变可以延长由压力传感器集成组成的电子皮肤的使用寿命。