[发明专利]一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于：包括叉指型对电极式柔性触觉传感器，叉指型对电极式柔性触觉传感器包括柔性基底、叉指型对电极、电解质层，所述叉指型对电极铺设于柔性基底表面，所述电解质层贴附于叉指型对电极之上，所述电解质层由包括第一溶剂、酯类、高分子材料和离子载体的混合物经过发泡制得，四者的质量比为(25-30):(3-4):(4-6):(1-2)；

所述叉指型对电极通过丝网印刷工艺将导电油墨印刷于柔性基底上表面制得，所述导电油墨由第二溶剂、粘结剂、导电材料和四硼酸钠组成，四者的质量比为(5-6):(1-2):(1-2):(0.2-0.3)；

所述电解质层中的第一溶剂为水或离子液体，其中，离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐，由有机阳离子和无机或有机阴离子组成，阳离子包括季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子，阴离子包括卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子；所述酯类包括碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸乙二酯中一种或两种以上的混合物；所述高分子材料为聚乙烯醇或聚苯乙烯；所述离子载体为酸、碱、盐中一种或两种以上的混合物；

所述叉指型对电极两端通过焊接导电金属线实现传感器与外界电路相连，所述叉指型对电极为两个薄层电极在同一平面内相对排布，其图案包括双矩形、叉指型、环形嵌套型；

一种由上述传感器组成的传感器阵列，所述传感器阵列由m行、n列的多个传感器横纵排列形成m×n个传感器阵列，m、n均为正整数，所述多个传感器共用同一柔性基底，所述多个传感器共用同一电解质层或分别独立使用能够覆盖各自叉指型对电极区域的电解质层；

制备方法，包括如下步骤：

(1)叉指型对电极的制备

将第二溶剂、粘结剂和导电材料混合均匀后，在80-100℃条件下加热1-2小时，待粘结剂完全溶解形成含有导电材料的粘结剂溶液，然后将四硼酸钠溶于去离子水中形成四硼酸钠溶液，再将四硼酸钠溶液逐滴加入粘结剂溶液中，边加边搅拌，待形成凝胶后停止，再将该凝胶在90-100℃的温度下溶解0.5-2小时，去除气泡，得到导电油墨，采用丝网印刷的工艺将导电油墨按照设计的图案印刷到柔性基底上，然后自然晾至半干即得到叉指型对电极；

(2)电解质层的制备，

将第一溶剂和高分子材料混合后，在80-100℃条件下加热1-2小时，待高分子材料完全溶解后加入酯类、离子载体搅拌均匀后加入发泡剂搅拌均匀后倒入模具中，放置于烘箱55-65℃下加热8-10小时得到电解质层；

(3)传感器的接线

将所有叉指型对电极在相应位置引出电极接线端，将与电极接线端宽度相同的软排线用焊锡与电极接线端固定在一起，然后进行使用；

(4)传感器的封装

将粘结剂刷到相同尺寸的电解质层与柔性基底上的每个叉指型对电极边缘后使柔性基底与电解质层完全贴合，完成安装；

本发明传感器的基本工作原理：

柔性基底、叉指型对电极与电解质层三部分组成一个基于超级电容的叉指电极式柔性触觉传感器单元，当有压力施加于传感器上时，传感器的网孔状电解质层会在压力的作用下发生变形，从而导致电解质层与叉指型对电极的接触面积变大，引起电容的增加；当压力消失时，网孔状电解质层又会恢复原状，电容也会恢复原值；电容的变化可以转变为电信号传输给后续处理电路，从而监测到力的大小；

叉指型对电极与网孔状电解质层形成电极或电解质界面，当叉指电极与网孔状电解质层的两面接触时，在外界电源的作用下，电极的内部表面电荷会从电解质中吸附离子，这些离子在叉指电极或电解质界面的电解质一侧形成一个电荷数量与电极内表面荷电电荷数量相等，且符号与其相反的界面层，由于叉指电极或电解质界面上存在着电位差，使得两层电荷都不能越界而彼此中和，因此形成结构稳定的超级电容；

将由溶剂、粘结剂和导电材料组成的导电油墨印刷在可拉伸的柔性基底上，制备了叉指型对电极层；将离子载体与高分子材料混合，然后发泡，烘干后制备网孔状电解质层，然后叉指型对电极与电解质层组装；将组装好的压力传感器连接到电容测量电路，实现高密度压力映射。

2.根据权利要求1所述的一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于：所述柔性基底的材质包括聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨基甲酸酯或聚乙烯醇。