[发明专利]基于透明生物材料的柔性力触觉传感器、敏感元件及其制备方法

说明书

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种基于透明生物材料的柔性力触觉传感器、敏感元件及其制备方法，敏感元件包括保水层基底及包裹在其内的水凝胶，所述水凝胶的溶质由海藻酸钠、乙二胺四乙酸二钠钙和葡萄糖酸δ‑内酯以质量比2:(0.5～1.5):(0.5～1.5)构成，其中海藻酸钠的质量浓度为2～6％。传感器包括依次有线或无线连接的敏感元件、测量电路、AD转换电路和显示器。本发明利用离子交联的缓释体系水凝胶作为传感器主体，利用葡萄糖酸内酯缓慢释放乙二胺四乙酸二钠钙中的钙离子，钙离子与海藻酸钠单体形成离子交联，将水分子连接在网状结构内部，再利用一定的保水措施，减少水分的散发，维持传感器的稳定性。

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种基于透明生物材料的柔性力触觉传感器、敏感元件及其制备方法。

背景技术

人机交互的研究对于提高计算机系统“友善性”、简化人与计算机之间的信息交换过程具有重大的意义。就目前而言，人机一体化的交互方式已成为主流模式。为实现理想的人机一体化交互模式，触觉传感器被要求拥有更高的柔软性及生物相容性。因此，我们提出了一种基于水凝胶的电子皮肤触觉传感器设计。水凝胶具有的高柔韧性、高生物相容性对实现人机一体化交互具有重大的意义。

目前主流的触觉传感器是基于硬质电极制造，无法适应人机一体化的交互模式。这种触觉传感器在活动能力强的部位使用时反复发生形变，这往往导致触觉传感器测量精度和使用寿命显著降低。目前的柔性触觉传感器对于电路接线的稳定性缺少考虑，电路接口还是位于触觉传感器反复变形的区域，没有进行相关的保护设计；同时相应的敏感部件也因为采用了性能还不成熟的柔性材料，使触觉传感器的测量精度也偏低。

中国科学院合肥智能机械研究所的梅涛等人申请的专利“柔性三维力触觉传感器”，公开号为CN1796954，该触觉传感器制作时采用MEMS工艺，整体具有一定柔性，可以检测三维力。但该传感器尺寸较大、加工工艺复杂、缺乏高度柔性，不能满足人机一体化的需求。且专利中未提出信号采集电路，信号采集电路的性能及尺寸对传感器的应用有很大的影响。

合肥工业大学的黄英等人申请的专利“基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器”，公开号为CN101231200，该传感器采用压敏导电橡胶，传感器整体具有高度柔性，可以检测三维力。但是该传感器采用单层电极层结构，传感器受电极接触面积的影响单个触觉单元的尺寸受到限制，不适合残疾人义肢应用；压敏导电橡胶具有高的迟滞特性、线性度差，其精度和分辨率有待进一步提高。

公告号为CN101059380A、专利名称为“一种柔性电容式触觉传感器的制作方法”的专利，利用PDMS中间层，制备柔性PI衬底、图形化的金属敏感电极和PI绝缘保护层，实现了有机柔性材料与传统MEMS工艺的兼容，所制作的电容式触觉传感器可挠性好，能同时感受切向力和法向力的大小；然而，由于该传感器敏感电极仍采用Al或Cr/Au金属薄膜，在所贴附表面曲率较大时会因电极和介质的弹性模量差异引起较大误差，还未实现真正的全柔性。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术存在的缺陷和不足，改善传统触觉传感器柔性程度不高、使用寿命低以及精度不高等问题，提出一种基于水凝胶的电子皮肤传感器设计。利用水凝胶高柔性、易制备、生物相容性高的特点制作出的触觉传感器解决上述问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

基于透明生物材料的柔性力触觉传感器的敏感元件，包括保水层基底及包裹在其内的水凝胶，所述水凝胶的溶质由海藻酸钠、乙二胺四乙酸二钠钙和葡萄糖酸δ-内酯以质量比2:(0.5～1.5):(0.5～1.5)构成，其中海藻酸钠的质量浓度为2～6％。

优选地，所述水凝胶在保水层中呈S型排布。