[发明专利]梯度零泊松比结构电容式柔性触觉传感器及其制备方法

说明书

本发明公开的梯度零泊松比结构电容式柔性触觉传感器，包括与外界物体接触的绝缘表面凸起，还包括绝缘薄膜、衬底薄膜；其中，所述绝缘表面凸起的底部设置有绝缘薄膜，绝缘薄膜与衬底薄膜之间设置有具有梯度零泊松比结构的介电层，介电层分别与绝缘薄膜、衬底薄膜直接接触，且绝缘薄膜的下表面设置有上层柔性电极，衬底薄膜的上表面设置有下层柔性电极。本发明通过具有梯度零泊松比结构的复合材料导电气凝胶为介电层以及添加纳米纤维素的衬底薄膜提高传感器的性能。

技术领域

本发明涉及柔性触觉传感器领域，特别涉及梯度零泊松比结构电容式柔性触觉传感器及其制备方法。

背景技术

柔性触觉传感器，是指触觉传感器的物理特性具有类似于人类皮肤一样的特性，可以覆盖在任意的载体表面测量受力信息，从而感知目标对象的性质特征。“机器人柔性敏感皮肤”已成为智能机器人触觉传感器技术领域一个研究热点。如装配了高灵敏度柔性触觉传感器的医用机器人可以探测人体器官的温度、湿度等，为外科医生提供实时精准的触觉信息。

但是面对日益提高的性能需求，传统的柔性触觉传感器如CN108827503A、CN110108393A等，其结构过于简单，以及目前主流的柔性触觉传感器均无法同时达到高柔性、高灵敏度和高检测限的多重特性；在传统3D打印制备方法上，只是将其应用于介电层模具制造或介电层制造，只是改进了介电层的成型精度或生产效率，没有实现传感器多材料的一体化制造。这便对未来高性能的柔性触觉传感器的发展提出了迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供梯度零泊松比结构电容式柔性触觉传感器，本发明通过具有梯度零泊松比结构的复合材料导电气凝胶为介电层以及添加纳米纤维素的衬底薄膜提高传感器的性能。

本发明的另一目的在于提供梯度零泊松比结构电容式柔性触觉传感器的制备方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

梯度零泊松比结构电容式柔性触觉传感器，包括与外界物体接触的绝缘表面凸起，还包括绝缘薄膜、衬底薄膜；其中，所述绝缘表面凸起的底部设置有绝缘薄膜，绝缘薄膜与衬底薄膜之间设置有具有梯度零泊松比结构的介电层，介电层分别与绝缘薄膜、衬底薄膜直接接触，且绝缘薄膜的下表面设置有上层柔性电极，衬底薄膜的上表面设置有下层柔性电极。

所述绝缘表面凸起为PDMS材料制成。

所述绝缘薄膜为PDMS材料制成。

所述具有梯度零泊松比结构的介电层为PDMS、CNFs、Graphene复合材质的导电气凝胶。

所述衬底薄膜为PDMS、CNFs复合薄膜。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

梯度零泊松比结构电容式柔性触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、3D打印设备硬件优化；

S2、3D打印控制算法编写；

S3、打印材料流变特性调控；

S4、整体一体化3D打印。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明开发以具有梯度零泊松比结构的PDMS/CNFs/Graphene导电气凝胶材料为触觉传感器介电层以应对高灵敏度微压力至大加载的压力检测过程，消除三维力变形耦合，减小信号解耦造成的精度丢失；

2.本发明添加纳米纤维素提高了复合材料的机械性能，在介电层中可以防止导电石墨烯在聚合物中的团聚，有很好的分散作用；在衬底材料中添加纳米纤维素提高其杨氏模量以减少对微压力的吸收；