[发明专利]一种柔性压力温度集成薄膜阵列传感器敏感元及制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性压力温度集成薄膜阵列传感器敏感元及制备方法，利用柔性铁电薄膜具有的压电效应与热释电效应实现压力传感功能与温度传感功能的集成，敏感元包含柔性衬底、功能薄膜组合体和热管理薄膜组合体。该方法中，在柔性衬底上依次沉积绝热层、下电极，连接导线，沉积柔性铁电薄膜并刻蚀隔热槽，在柔性铁电薄膜上沉积上电极，连接导线，然后依次沉积热控层、导热层、红外反射层，最后通过导线对敏感元进行极化与测试。本发明的敏感元实现了单一敏感元上压力传感功能和温度传感功能的集成，集成度高，使用结构简单；适合大面积制备，适用于平面、曲面、异形面等结构上，适应性高；抗冲击、振动能力强，仿生度高，可靠性高等优点。

技术领域

本发明涉及薄膜阵列传感器领域，特别涉及一种柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元及制备方法。

背景技术

随着机器人技术飞速发展，工业机器人、服务机器人、娱乐机器人和陪护机器人等多种不同机器人频繁出现在工业生产和居民生活中。传统机器人皮肤仅考虑外观仿真度而不考虑触感功能，在现有技术中，介绍有一种魔芋葡甘聚糖机器人仿生皮肤及制备方法，该皮肤以天然魔芋葡甘聚糖为基料，仿度高，生物利用度好，但不具备压力感知与温度感知功能。

但是，随着近年来人形机器人的大量出现和使用，无论是在工业生产中还是居民生活中都对机器人的拟人度提出了更高需求，例如，在工业生产中人们希望机器人能感知抓夹压力甚至被抓夹产品的温度，在居民生活中人们希望机器人能对触碰压力、触碰温度甚至触碰位置给予反馈。因此，就需要机器人拥有和人类相似的触觉系统，包括触感系统和温感系统。而目前，大部分机器人触觉系统仅包含触感系统，例如现有技术中介绍有一种耐压高灵敏度智能机器人皮肤，实现外界压力的灵敏感知，有效解决了量程和灵敏度的矛盾。另，现有技术中还介绍有一种电子仿生皮肤系统，该系统基于电感式压力传感器能够将外界压力转换成脉冲电信号的频率变化；同时，现有技术中还介绍介绍有一种机器人皮肤触感系统及实现方法，该系统能够将施加在机器人皮肤上的压力转化为一定频率的光信号。上述现有技术中的方案均实现了机器人皮肤的压力感知功能，但未能实现机器人的温度感知功能。

压力传感器和温度传感器分别作为触感系统和温感系统核心零部件，其结构基本相似，均包括敏感元、读出电路和处理电路三大主要部分，传统的压力传感器敏感元主要为金属应变片、压敏陶瓷、压电陶瓷和半导体元件等，传统的温度传感器敏感元主要为热敏电阻、热敏电容、热电偶和半导体元件等。例如，现有技术中，采用金属图形化的工艺在柔性PI上制作了湿度、温度和压力三种传感器敏感元，但未能实现三种敏感元的集成；以及，现有技术中还利用最新的纳米功能材料制备了柔性压力、温度等不同的传感器敏感元，同样未实现压力传感与温度传感功能的集成。

目前，限制传统压力传感器敏感元和温度传感器敏感元实现在机器人触感系统上应用的原因主要有以下几点：(1)压力传感器敏感元和温度传感器敏感元原理、结构复杂，差异性大，难以实现集成；(2)传统敏感元材料一般为脆性材料、刚性材料，柔性化程度低，直接触碰易损坏，无法满足异形面的安装要求和反复触碰的使用要求；(3)传统敏感元材料难以实现大面积制备，无法满足大面积使用需求；(4)传统温度敏感元，考虑到自身的热容量和升温过程，存在响应时间较长的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性压力温度集成薄膜阵列传感器敏感元及制备方法，利用柔性铁电薄膜具有的压电效应与热释电效应将压力变化信号和温度变化信号转换为电流信号，将压力传感功能和温度传感功能集成的同时满足平面、曲面、异形面的等不同环境下的使用需求，提高传感器敏感元集成度和适应性。

为了达到上述目的，本发明通公开了一种柔性温度压力集成薄膜阵列传感器敏感元，包含：

支撑传感器敏感元的柔性衬底，与安装面连接；

提高传感器敏感元敏感度的热管理薄膜组合体，设置在所述柔性衬底上；