[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

说明书

本发明创造提供了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，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)。本发明创造所述的传感器具备柔性特点且可拉伸，拉伸率可以高达300％，因此可以在更大的变形条件下监测所受压力情况，从而拓展了该传感器的适用范围。

技术领域

本发明创造属于柔性传感器技术领域，尤其是涉及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。

背景技术

电子皮肤具有与人类皮肤相似的功能，包括可拉伸性、自我修复性和多功能感知能力，在个性化医疗、人工智能设备、软机器人系统等领域有着广阔的应用前景。在众多的电子皮肤软传感器中，触觉传感器是一种非常重要的传感器，它可以将机械刺激转化为可读信号。触觉传感器主要有三种工作模式，包括电阻，电容和压电模式。其中，电容式触觉传感器与其它两种相比较，具有低迟滞、高稳定性和高线性度等优点，在眨眼监测、脉冲检测、人体运动监测等实际应用中有着广泛的应用前景。

电容式触觉传感器结构简单，由介电材料隔开两个电极。金属和半导体均可以用作电容传感器的电极。然而，基于传统静电容的触觉传感，由于静电电容量小造成传感信号微弱，易被环境噪声淹没而难于提取和表达，且还存在力检测范围窄的缺点。另外，传统金属或半导体薄膜电极的力学性能差，也限制了传统电容式触觉传感器的柔性应用范围。人们普遍采用几何工程方法将刚性材料加工成弯曲、褶皱和kirigami(循环折纸图案)形状。例如，现有技术中有将金膜成形成褶皱形状，用于开发电容式应变传感器，可拉伸性高达140％。然而，仅在几何工程上解决拉伸性能会受到材料本身的限制，不能完全满足电子皮肤拉伸要求。综上，在触觉传感原理、基本材料工程和器件几何设计上都需提出新的方案以全面提升电容式触觉传感器的灵敏度、量程和柔性等性能。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出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。其中，基于多孔高比表面积电极中电子与电解液中离子的吸附获得大于传统静电电容百倍的电容量，实现力传感信号的高灵敏度和宽检测量程的检测；基于柔性可拉伸基底和泡沫电解质的使用，实现整体器件的高度柔性化和大的可拉伸化。另外，同一平面内叉指型对电极的结构设计能够有效地降低器件内阻，以提升力传感信号的快速响应能力。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

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，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，所示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)。

优选地，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)。

优选地，所述柔性基底的材质包括但不限于聚二甲基硅氧烷、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。

优选地，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，阳离子包括但不限于季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子，阴离子包括但不限于卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子；

优选地，所述酯类包括但不限于碳酸丙烯酯、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；

优选地，所述高分子材料优选为聚乙烯醇或聚苯乙烯；