[发明专利]一种柔性触觉传感器阵列及其制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性触觉传感器阵列及其制备方法，其中柔性触觉传感器阵列包括柔性基底和触觉传感阵列；触觉传感阵列包括N×M个触觉传感单元和互联线网络；触觉传感单元为一个被共形的聚合物包裹封装的栅状金属箔，且每个栅状金属箔上集成了原位硬质微柱阵列；互联线网络包括垂直交叉的N条行线和M条列线，在交叉点行线与列线被交叉绝缘垫彼此绝缘，行线与列线均被共形的聚合物包裹封装；柔性基底与触觉传感阵列键合为整体。本发明根据金属箔的电阻受压改变的机理，构造了原位硬质微柱挤压栅状金属箔的结构，并以此为触觉传感单元结合互联线网络构造了新型触觉传感器阵列，具有高稳定性、高灵敏度、低迟滞、高集成度等优点。

技术领域

本发明涉及触觉传感器领域，具体涉及一种柔性触觉传感器阵列及其制备方法。

背景技术

随着材料科学和制造技术的不断进步，社会及工业界对各类电子设备的功能性、便携性和舒适性等提出了新的要求，柔性化已成为新兴电子器件的一个重要的发展方向。相比于传统刚性电子器件，可弯曲可变形是柔性器件重要特征，它具有柔性、弹性和承受任意形变的能力，在医疗辅助、可穿戴健康监测和人机交互等领域展现出广阔的应用前景。

柔性触觉传感器可以赋予机器手如人手般的触觉，是实现机器人智能感知和人机交互的核心器件。该传感器可将触觉信号转换为电信号,能实现触觉信息的快速精确传导。若将多个触觉传感器单元集成在一片柔性基底上，就可以形成一个N*M的柔性触觉传感器阵列。该阵列通过互联线连接为一个整体，再通过外部电路控制可以同时测量一定区域内的多点的接触压力的变化，在医学、工业以及娱乐等领域拥有巨大的应用潜力。柔性触觉传感器根据传感工作机理主要可分为电阻式、电容式和压电式。其中，电阻式触觉传感器的工作原理可概括为：外界接触压力刺激导致传感器的电阻值改变，导致输出的电流或电压的改变，从而来反馈接触压力的大小。

电阻式柔性触觉传感器的技术核心是构造对压力敏感的电阻值可变系统，目前的方法有：1)柔性压敏导电材料作为传感器敏感单元：柔性压敏导电材料是将炭黑、碳纳米管或石墨烯等粉末状或颗粒状的导电物质作为导电相与硅橡胶、水凝胶等掺杂固化，从而形成一种柔性可拉伸的压敏导电复合材料。它在压力的作用下改变内部导电颗粒的间距进而表现为电阻的改变；2)可变的接触电阻作为敏感单元：将具有表面微结构的上下电极材料接触导通可产生接触电阻，在不同的压力作用下会产生不同的接触状态从而具有不同的接触电阻，进而能够改变输出电信号。

现有的采用柔性压敏导电材料作为传感器敏感单元的电阻式柔性触觉传感器虽可实现分布压力测量，但是其在灵敏度、迟滞性以及集成度等方面存在明显不足；采用可变接触电阻作为敏感单元的电阻式柔性触觉传感器在量程和集成度上存在瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种高稳定性、高灵敏度、低迟滞、高集成度的新型电阻式柔性触觉传感器阵列及其制备方法。

一种柔性触觉传感器阵列，包括柔性基底和触觉传感阵列，所述触觉传感阵列包括N×M个触觉传感单元以及连接每个触觉传感单元的互联线网络；

所述的触觉传感单元为一个被共形的聚合物包裹封装的栅状金属箔，所述的栅状金属箔上集成了硬质微柱阵列；

所述互联线网络包括垂直交叉的N条行线和M条列线，在行线和列线的交叉点设有交叉绝缘垫，所述的行线与列线均被共形的聚合物包裹封装；所述的触觉传感阵列键合在柔性基底上。

本发明中，柔性基底为一块具有柔弹性的硅橡胶一类的薄层基底，N条行线和M条列线垂直交叉组成互联线网络，但在交叉点做绝缘处理使得行线列线不接触不连通。触觉传感单元置于交叉点附近，其一端连接行线，另一端连接列线。N×M个触觉传感单元通过共用的行线、列线网络构成互联的触觉传感阵列。