基於微納米纖維結構的觸覺傳感器及其製備方法
2023-10-17 08:53:49
專利名稱：基於微納米纖維結構的觸覺傳感器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種觸覺傳感器及其製備方法，尤其是涉及一種基於微納米纖維結構
的觸覺傳感器及其製備方法。
背景技術：
微纖毛感受器是一種普遍存在於動物世界的機械剌激感知系統。這些微纖毛感受 器的直徑範圍從納米尺寸到微米尺度，長度則從20微米到1. 5毫米不等。利用這些微纖毛 結構及與之相連的神經系統，動物可以感知外界的力剌激。隨著微加工技術的不斷提高，通 過模擬生物微纖毛感知系統的人工微纖毛結構的研究，成為近年來傳感器與微製造領域的 一個研究熱點，如美國與歐盟框架項目都相繼投入大量的研究基金啟動了美國卡耐基梅隆 納米機器人實驗室的Nanof iber項目、伊利諾斯大學納米製造實驗室的Artificial hair rec印tor項目以及歐盟的Cilia項目等。 現有的觸覺感知方法主要有電阻式、電容式、壓電式及光學方法，而受制於傳統的 微加工方法限制，其敏感元件的形狀多採用平板式或懸臂梁式，少數利用傳統刻蝕方法加 工成的直立式懸空結構則由於長寬比過小，降低了其敏感程度，且其加工工藝過於複雜。
拉伸成絲法和靜電紡絲法都是常用的用於製備高極高長寬比的化學纖維的方法， 但由於其長寬比過大，無法得到直立懸空結構；尤其是對於靜電紡絲法來說，通常只能獲得 方向隨意彎曲的、纖維連續的無紡墊結構，而無法在特定位置製備纖維機構。因此，有必要 發展出新的聚合物微納米級纖維製備方法，以達到在特定位置製備微納米級的，具有直立 式懸空結構的高長寬比功能性纖維的目的，從而提高觸覺傳感器的靈敏度，簡化其製備過 程。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於微納米纖維結構的觸覺傳感器及其製備方法，利
用聚合物微納米級纖維拉伸製備方法，模仿動物的微纖毛感知結構，在特定位置製備微納
米級的，具有直立式懸空結構的高長寬比功能性纖維作為機械感知器，從而提高觸覺傳感
器的靈敏度，簡化傳感器的製備過程。 本發明解決其技術問題採用的技術方案是 —、一種基於微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器 在基底中心安裝底部大、而上部為圓錐狀的具有壓電特性的微納米級直立懸空纖 維或壓阻特性的微納米級直立懸空纖維，在微納米級直立懸空纖維外對稱包覆一組電極， 用矽橡膠封裝材料封裝在基底上，兩個電極分別用金屬引線與設置在基底的各自外置金屬 電極連接。 所述一組電極是在圓錐狀的具有壓電特性的微納米級直立懸空纖維段沿長度徑 向對稱包覆。 所述一組電極是在圓錐狀的具有壓阻特性的微納米級直立懸空纖維段軸向上下環形對稱包覆。 二、一種基於微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器的製備方法 將具有壓電或壓阻特性的溶質材料與溶劑相混合以配備出具有壓電或壓阻敏感
特性的，且同時適於拉伸的粘性溶液；利用微量注射泵將該溶液從微型針頭中擠出，再通過
操縱三維操作平臺沿垂直方向運動，以製備出具有敏感特性的微納米級直立懸空纖維，並
利用矽橡膠材料對製備出的微納米級直立懸空纖維陣列進行封裝；該方法的具體步驟如
下 (1)常溫下，採用聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液來獲得具有壓電特性的拉伸原 料，採用聚氨酯和二甲基甲醯胺溶液來獲得具有壓阻特性的拉伸原料；其混合質量比對於 聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液，採用20% -35% ;對於聚氨酯和二甲基甲醯胺溶液，採用 20% -30% ;配製過程中採用攪拌方法以使溶質與溶劑充分混合，採用電磁攪拌、超聲波攪 拌或被動式混合器攪拌； (2)將加熱板固定於自動三維操作平臺上，基底固定於加熱板上，加熱板保持攝氏 70-80度，玻璃毛細管微型針頭安裝於手動三維操作平臺上，該針頭的前端垂直正對基底， 後端與微量注射泵相連；調節手動三維操作平臺以調整玻璃毛細管微型針頭相對於基底的 初始位置，同時使微量注射泵將溶液從玻璃毛細管微型針頭中擠出到基底上，並使載有基 底的自動三維操縱平臺以加速運動方式向下移動，對擠出的溶液進行拉伸，其運動方式為 勻加速直線運動或變加速直線運動；在拉伸的過程中，溶液中的溶劑蒸發，溶液發生固化， 並最終使直立纖維的頂部與玻璃毛細管微型針頭處的擠出溶液發生拉伸斷裂，從而形成微 納米級直立懸空纖維； (3)微納米級直立懸空纖維包覆電極後，採用鑄模方式對最終製備完成的微納米 級直立懸空纖維進行封裝，將該微納米級直立懸空纖維倒立置於裝滿乳膠狀矽橡膠溶液的 模具中，電極用導線引出，靜置24小時，待矽橡膠成型後將整體拿出，形成最終的觸覺傳感 器； 對於由聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液系統製備的具有壓電特性的微納纖維來 說，在封裝之前還需進行極化處理，其方法為，將基底連同其上的微納米級直立懸空纖維一 同置於由兩金屬極板和介電材料所組成纖維極化裝置中，在金屬電極間施加10kV電壓，以 完成纖維的極化後再包覆電極。 對於由聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液系統製備的具有壓電特性的微納纖維來 說，其電極為沿長度徑向對稱包覆的電極，採用磁控濺射方法製備；對於由聚氨酯和二甲基 甲醯胺溶液系統製備的具有壓阻特性的微納纖維來說，其電極為軸向上下環形對稱包覆的 電極，採用磁控濺射方法製備。 與其它的微觸覺感知裝置相比，本發明具有的有益效果是 本發明利用聚合物溶液的粘彈性特性，對其進行拉伸成絲，整個製備過程耗時短， 效率高，相對於其他微觸覺感知裝置所採用的傳統微加工技術，其製備流程大大簡化；在材 料方面僅用到少量的聚合物溶液，與傳統微加工方法相比，成本更低；通過將多跟直立纖維 集成為微納米級纖維陣列，可以大大提高裝置的觸覺感知能力；與傳統的基於矽材料的微 加工工藝相比，採用拉伸方法製備的柔性聚合物直立纖維結構更適於作為觸覺感知系統的 敏感元件；所製備的微納米級直立懸空纖維，直徑一般為500納米至30微米，具有壓電或壓阻特性。
圖1是聚合物微納米級直立纖維拉伸製備實驗臺的示意圖。
圖2是聚合物微納米級直立纖維拉伸製備工藝的流程示意圖。
圖3是具有壓電效應的直立纖維極化裝置示意圖。 圖4是基於壓電效應微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器結構的前視剖面圖。 圖5是基於壓電效應微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器結構的上視剖面圖。 圖6是基於壓阻效應微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器結構的前視剖面圖。 圖7是基於壓阻效應微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器結構的上視剖面圖。 圖中1、操作臺架，2、自動三維操作平臺，3、加熱板，4、微量注射泵，5、玻璃毛細管微型針頭，6、柔性基底，7、手動三維操作平臺，8、介電材料，9、金屬電極，10、具有壓電特性的微納米級直立懸空纖維，11、外置金屬電極，12、矽橡膠封裝材料，13、纖維上的電極，14、金屬引線，15、具有壓阻特性的微納米級直立懸空纖維，(a)拉伸前針頭與基底的位置，(b)調節手動操作平臺以初始化玻璃毛細玻璃管微型針頭相對於基底的位置，(c)載有基底材料的自動三維操縱平臺向下加速運動從而對擠出的溶液進行拉伸，(d)拉伸中由於溶液中的溶劑蒸發，材料發生固化，直至發生拉伸斷裂，形成直立懸空式的纖維結構。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。 本發明提供一種基於微納米纖維結構的觸覺傳感器，如圖4、圖6所示，在基底6中心安裝底部大、而上部為圓錐狀的具有壓電特性的微納米級直立懸空纖維10或壓阻特性的微納米級直立懸空纖維15，在微納米級直立懸空纖維外對稱包覆一組電極，用矽橡膠封裝材料12封裝在基底6上，兩個電極分別用金屬引線與設置在基底6的各自外置金屬電極連接。 如圖4、圖5所示，所述一組電極13是在圓錐狀的具有壓電特性的微納米級直立懸空纖維10段沿長度徑向對稱包覆。 如圖6、圖7所示，所述一組電極16是在圓錐狀的具有壓阻特性的微納米級直立懸空纖維15段軸向上下環形對稱包覆。 本發明提供一種基於微納米纖維結構的觸覺傳感器的製備方法，包括感知系統所採用的敏感材料的配製，微納米級直立懸空式纖維結構的拉伸製備方法及其纖維結構的後處理方法。通過將拉伸形成的玻璃毛細管微型針頭安裝於特製的連接器中，利用微量注射泵將溶有壓電或壓阻溶質的溶液從微型針頭中以一定速率擠出，再通過操縱三維定位平臺沿豎直方向運動，以在特定位置製備出具有敏感特性的微納米級直立懸空纖維結構，並利用矽橡膠材料對製備出的微納纖維陣列進行封裝。通過適當選擇溶液系統的溶質成分與溶
6劑成分，可以製備出具有壓電或壓阻敏感特性的，且同時適於拉伸的粘性流體；通過控制三維移動平臺的速度特徵及微型針頭上溶液的溫度和擠出速度，可以調整具有直立懸空結構的微納米級壓電纖維的結構特徵。 如圖1所示，微納米級直立懸空纖維的拉伸製備平臺由操作臺架1、自動三維操作平臺2，加熱板3、基底6、微量注射泵4、玻璃毛細管微型針頭5以及手動三維操作平臺7組成。首先將加熱板3固定於自動三維操作平臺2上，加熱板的溫度保持為攝氏70-80度，其上載有用於製備直立纖維的基底6，其材料為聚醯亞胺。玻璃毛細管微型針頭5夾持安裝於手動操作平臺7上，該針頭的前端垂直正對基底，後端與微量注射泵4相連，自動三維操作平臺2和手動三維操作平臺7均安裝在操作臺架1上。 直立懸空纖維的敏感特性可為壓電式或壓阻式。常溫下，採用聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液來獲得具有壓電特性的拉伸原料，採用聚氨酯和二甲基甲醯胺溶液來獲得具有壓阻特性的拉伸原料；其混合質量比與溶液系統的初始粘度的關係可用下式來描述，;/i(卜cw) 其中，u為溶液系統的初始粘度，w為溶液系統中溶質的質量分數，T為環境溫度。
a，b，c為常數，由溶液系統的成分所確定。根據該式的描述，為使溶液系統具有適於拉伸制
備微納米級直立纖維結構的流變學特性，其混合質量比對於聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶
液，採用20% -35% ;對於聚氨酯和二甲基甲醯胺溶液，採用20% -30% ;配製過程中採用
超聲波攪拌方法以使溶質與溶劑充分混合，充分混合需要的時間由於溶液濃度的不同而不
同，如下表所示
x^合質量比
20%25%30%35%
溶液名稱 ^^^^^
聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液13712
聚氨酯和二甲基甲醯胺溶液13915 微納米級直立懸空纖維的製備流程如圖2所示。首先調節手動操作平臺以調整玻璃毛細管微型針頭相對於基底材料的初始位置。待針頭位置設定完畢後，鎖定手動操作平臺，同時使微量注射泵將溶液從微型針頭5中擠出到基底6之上。由於製備過程中纖維的形成主要受拉伸力影響，微量注射泵的擠出速率對纖維的最終成型影響不大，實驗中通常採用l微升/小時的擠出速率。待擠出的溶液與基底材料結合併固化之後，載有基底的自動三維操縱平臺以勻加速運動方式向下移動，從而對擠出的溶液進行拉伸，在拉伸的過程中，溶液中的溶劑蒸發，材料發生固化，並最終使直立纖維的頂部與玻璃毛細管針頭處的擠出溶液發生拉伸斷裂，最終形成的微納米級直立懸空纖維。 當採用低濃度溶液配方時(三維移動平臺加速度為2ram/i^，聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液，混合質量比20% ;聚氨酯和二甲基甲醯胺溶液，混合質量比20% )，更易形成高度較短但平均直徑為納米級的纖維結構，整體高度為1毫米，錐端平均直徑約為500納
7米；當採用高濃度溶液配方時(三維移動平臺加速度為10mm/tf，聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液，混合質量比35% ;聚氨酯和二甲基甲醯胺溶液，混合質量比30% )，更易形成高度較高但平均直徑為微米級的纖維結構，整體高度為10毫米，錐端平均直徑約為30微米；
對於由聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液製備的具有壓電特性的微納纖維，在封裝之前還需進行極化處理以提高其壓電係數，其方法如圖3所示。將基底6連同其上的微納米級直立懸空纖維10—同置於由兩金屬極板9和介電材料8所組成的纖維極化裝置中，在金屬電極間施加10kV電壓，持續約1小時，在完成纖維的極化後再進行電極製備。而對於由聚氨酯和二甲基甲醯胺溶液製備的具有壓阻特性的微納纖維，無需進行極化處理，可直接進行電極製備。 所有電極均採用磁控濺射的方法進行製備。對於由聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液製備的具有壓電特性的微納纖維，如圖4、圖5所示，其電極13是在具有壓電特性的圓錐狀直立懸空纖維IO段沿長度徑向對稱包覆。而對於由聚氨酯和二甲基甲醯胺溶液製備的具有壓阻特性的微納纖維，如圖6、圖7所示，其電極16是在具有壓阻特性的圓錐狀的直立懸空纖維15段軸向上下環形對稱包覆。 在完成微納米級直立懸空纖維包覆電極後，採用鑄模方式對最終製備完成的微納米級直立懸空纖維進行封裝。首先將該微納米級直立懸空纖維倒立置於裝滿乳膠狀矽橡膠溶液的模具中，電極用金屬導線14引出，靜置24小時，待矽橡膠12成型後將整體拿出，形成最終的觸覺傳感器，如圖4、圖6所示。
權利要求
一種基於微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器，其特徵在於在基底(6)中心安裝底部大、而上部為圓錐狀的具有壓電特性的微納米級直立懸空纖維(10)或壓阻特性的微納米級直立懸空纖維(15)，在微納米級直立懸空纖維外對稱包覆一組電極，用矽橡膠封裝材料(12)封裝在基底(6)上，兩個電極分別用金屬引線與設置在基底(6)的各自外置金屬電極連接。
2. 根據權利要求1所述的一種基於微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器，其特徵 在於所述一組電極(13)是在圓錐狀的具有壓電特性的微納米級直立懸空纖維(10)段沿 長度徑向對稱包覆。
3. 根據權利要求1所述的一種基於微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器，其特徵 在於所述一組電極(16)是在圓錐狀的具有壓阻特性的微納米級直立懸空纖維(15)段軸 向上下環形對稱包覆。
4. 按權利要求1所述的一種基於微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器的製備方法，其特徵在於將具有壓電或壓阻特性的溶質材料與溶劑相混合以配備出具有壓電或壓 阻敏感特性的，且同時適於拉伸的粘性溶液；利用微量注射泵將該溶液從微型針頭中擠出， 再通過操縱三維操作平臺沿垂直方向運動，以製備出具有敏感特性的微納米級直立懸空纖 維，並利用矽橡膠材料對製備出的微納米級直立懸空纖維陣列進行封裝；該方法的具體步 驟如下(1) 常溫下，採用聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液來獲得具有壓電特性的拉伸原料， 採用聚氨酯和二甲基甲醯胺溶液來獲得具有壓阻特性的拉伸原料；其混合質量比對於聚 偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液，採用20% -35% ;對於聚氨酯和二甲基甲醯胺溶液，採用 20% -30% ;配製過程中採用攪拌方法以使溶質與溶劑充分混合，採用電磁攪拌、超聲波攪 拌或被動式混合器攪拌；(2) 將加熱板(3)固定於自動三維操作平臺(2)上，基底(6)固定於加熱板(3)上，加 熱板(3)保持攝氏70-80度，玻璃毛細管微型針頭(5)安裝於手動三維操作平臺(7)上，該 針頭的前端垂直正對基底(6)，後端與微量注射泵(4)相連；調節手動三維操作平臺(7)以 調整玻璃毛細管微型針頭(5)相對於基底(6)的初始位置，同時使微量注射泵(4)將溶液 從玻璃毛細管微型針頭(5)中擠出到基底(6)上，並使載有基底(6)的自動三維操縱平臺 (2)以加速運動方式向下移動，對擠出的溶液進行拉伸，其運動方式為勻加速直線運動或變 加速直線運動；在拉伸的過程中，溶液中的溶劑蒸發，溶液發生固化，並最終使直立纖維的 頂部與玻璃毛細管微型針頭(5)處的擠出溶液發生拉伸斷裂，從而形成微納米級直立懸空 纖維；(3) 微納米級直立懸空纖維包覆電極後，採用鑄模方式對最終製備完成的微納米級直 立懸空纖維進行封裝，將該微納米級直立懸空纖維倒立置於裝滿乳膠狀矽橡膠溶液的模具 中，電極用導線引出，靜置24小時，待矽橡膠成型後將整體拿出，形成最終的觸覺傳感器。
5. 根據權利要求4所述的一種基於微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器的製備 方法，其特徵在於對於由聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液系統製備的具有壓電特性的微 納纖維來說，在封裝之前還需進行極化處理，其方法為，將基底連同其上的微納米級直立懸 空纖維一同置於由兩金屬極板和介電材料所組成纖維極化裝置中，在金屬電極間施加10kV 電壓，以完成纖維的極化後再包覆電極。
6.根據權利要求5所述的一種基於微納米級直立纖維敏感結構的觸覺傳感器的製備方法，其特徵在於對於由聚偏氟乙烯和二甲基甲醯胺溶液系統製備的具有壓電特性的微 納纖維來說，其電極為沿長度徑向對稱包覆的電極，採用磁控濺射方法製備；對於由聚氨酯 和二甲基甲醯胺溶液系統製備的具有壓阻特性的微納纖維來說，其電極為軸向上下環形對 稱包覆的電極，採用磁控濺射方法製備。
全文摘要
本發明公開了一種基於微納米纖維結構的觸覺傳感器及其製備方法。將具有壓電或壓阻特性的溶質材料與溶劑相混合以配備出具有壓電或壓阻敏感特性的，且同時適於拉伸的粘性溶液；利用微量注射泵將該溶液從微型針頭中擠出，再通過操縱三維操作平臺沿垂直方向運動，以製備出具有敏感特性的微納米級直立懸空纖維，並利用矽橡膠材料對製備出的微納米級直立懸空纖維陣列進行封裝。相對於其他微觸覺感知裝置所採用的傳統微加工技術，製備簡單，用料節省，成本低廉；其直立纖維結構使觸覺感知系統更加靈敏。
文檔編號B81B1/00GK101776495SQ20101012285
公開日2010年7月14日 申請日期2010年3月12日 優先權日2010年3月12日
發明者P·達裡奧, 傅新, 劉偉庭, 李霏 申請人:浙江大學