一種柔性薄膜觸覺傳感器件及其製作方法

2023-12-09 11:30:36

一種柔性薄膜觸覺傳感器件及其製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種柔性薄膜觸覺傳感器，由電活性聚合物薄膜基體、碳納米管複合薄膜電極層、電極引線、聚醯亞胺薄膜保護層構成。碳納米管複合薄膜是是由碳納米管和聚電解質構成的多層網絡狀薄膜，採用靜電誘導自組裝方法在電活性聚合物薄膜基體上下兩表面製作成對柔順電極層，周邊電極錨區經金屬電極引線與電荷放大器連接於一體構成觸覺傳感器件，由微處理器或計算機實現電信號的採集、存儲、顯示與處理。本發明緊密粘貼於被測物體表面即可測量其觸覺感知特性，具有可裁剪為任意形狀、穩定可靠、可撓性好、快速響應等特點。
【專利說明】一種柔性薄膜觸覺傳感器件及其製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種觸覺傳感器件及其製備方法，具體是涉及一種基於碳納米管/電活性聚合物薄膜的柔性觸覺傳感器件。
【背景技術】
[0002]觸覺感知傳感器在傳感器領域具有重要的影響力和廣泛的應用背景，對機器人電子肌膚、特殊人群醫療保健、健康監控、訓練量化等方面具有至關重要的意義。隨著微電子技術的發展和各種敏感材料的出現，已經提出多種多樣的觸覺感知傳感器，但大都處於實驗室階段。當前應用廣泛的矽基觸覺傳感器價格昂貴，缺乏柔順性，形狀單一，加工需要昂貴的儀器和高淨化環境，生物兼容性差。相對而言，柔性聚合物有許多優勢，包括高柔性，可以大幅度彎曲，生物兼容性強等。因此，選擇柔性材料製備觸覺感知傳感器備受關注。日本東京大學 Someya T 等[Proc.Natl.Acad.Sc1.2004, 101, 9966]報導了一種基於有機場效應管和導電聚合物的觸覺傳感器。採用有機場效應管代替傳統的電子元件，而且有機元件電路具有其固有的柔性和便宜的成本，可提供一種理想的實現具有實用價值的人造皮膚的解決途徑。國立臺灣大學的 Cheng M-Y 等[J.Micromech.Microeng.2009, 19, 115001]報導了一種帶有浮動電極的電容式柔性觸覺傳感器陣列，可以作為人造皮膚用於機器人感知技術。
[0003]電活性聚合物作為一種新型高分子智能材料，因其獨特的電學及機械性能而在智能傳感、生物醫療、健康監控等領域的應用需求日益高漲。在電活性聚合物表面施加壓力作用時因內部電疇的電偶極矩壓縮而在其表面上產生電荷極化，可用於製作壓電傳感器和能量收集器等。反之，電活性聚合物在施加電場作用下產生彎曲、收縮、膨脹等形變並產生力學響應，可用於實現壓電執行器和諧振器等。該類材料具有非常卓越的柔韌性，具有較高的機電轉換效率，易於成形且不易疲勞損壞。以高分子聚合物為主要結構材料，不僅重量輕、能耗低，生物兼容性優於半導體材料，而且加工工藝不需使用半導體加工設備，製造成本較低，是未來新一代柔性傳感器件發展的一個重要方向。隨著小型化及可穿戴、可摺疊柔性電子器件概念的提出，在電活性聚合物薄膜上下表面製備柔性電極作為傳感元件，尤其適用於可穿戴織物、環境監測和人體運動監測等領域。自日本科學家s.1ijima發現碳納米管(CNTs)以來，因其具有1000-10000S/Cm的高電導係數，載流子容量達109Acm-2，拉伸強度在60GPa以上，成為製備柔性電極薄膜的理想材料。碳納米管薄膜製備大多採用化學氣相沉積法(CVD)，在襯底表面生長碳納米管，而後在上面製備電極；其它方法還有塗覆法和噴墨列印法，即先在襯底上製作電極，而後將碳納米管溶液塗覆或列印到電極之間。CVD方法要在高溫下加入催化劑生長，工序複雜，同時效率低，設備依賴性強，不適用於電活性聚合物薄膜基體。塗覆法和噴墨列印法克服了 CVD方法的缺陷，但薄膜製備的均勻性差，碳納米管與電極間的接觸不牢固，塗布或列印區域選擇性也難以精確控制。本發明採用靜電誘導自組裝方法在電活性聚合物薄膜基體上下表面製備碳納米管複合薄膜作為成對柔順電極層，形成三明治結構柔性薄膜，周邊電極錨區經金屬電極引線與電荷放大器連接於一體構成觸覺傳感器件，將該器件緊密貼合於被測物體表面即可用於觸覺感知的傳感測量，具有可裁剪為任意形狀、結構簡單、快速響應等特點。

【發明內容】

[0004]本發明針對觸覺傳感器件製備方法上的不足，構造了一種柔性薄膜觸覺傳感器件，由電活性聚合物薄膜基體、碳納米管複合薄膜電極層、電極錨區、聚醯亞胺薄膜保護層構成，採用靜電誘導自組裝方法在電活性聚合物薄膜基體上下表面製作碳納米管複合薄膜作為成對柔順電極層，形成三明治結構柔性薄膜，周邊電極錨區經金屬電極引線與電荷放大器連接於一體構成觸覺傳感器件，將該器件緊密貼合於被測物體表面即可用於觸覺感知的傳感測量。
[0005]所述柔性薄膜傳感器件是以電活性聚合物薄膜為柔性基體，包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯-全氟丙基乙烯基醚、聚四氟乙烯-六氟丙烯、及其以聚四氟乙烯為基的偏氟、四氟乙烯和六氟丙烯三元共聚物，或者上述聚合物複合薄膜。
[0006]所述碳納米管複合薄膜電極層被覆於電活性聚合物基體上下兩表面。
[0007]所述碳納米管複合薄膜電極層是採用靜電誘導自組裝方法構築的聚電解質/碳納米管網絡層狀薄膜，其厚度可通過自組裝層數實現納米級可控，單層厚度為3-6納米，薄膜層界面銜接牢固穩定，不易脫落。
[0008]所述三明治結構柔性薄膜可根據需要裁剪為任意形狀，而且透光率達80%以上。
[0009]所述電極錨區採用鉚接或粘貼導電金屬箔，或塗布導電膠方式，或標準絲網印刷工藝製作，和碳納米管複合薄膜電極層電學連接，成對引出。
[0010]所述碳納米管複合薄膜電極層表面塗覆一層聚醯亞胺薄膜，在熱板75°C烘乾處理5分鐘，用於作為柔性絕緣保護層。
[0011]所述碳納米管複合薄膜電極層經電極錨區與電荷放大器連接，將高阻抗信號輸入轉化為低阻抗信號輸出，由微處理器或計算機實現觸覺電信號的採集、存儲、顯示與處理。
[0012]所述碳納米管複合薄膜電極製備方法如下:採用5M NaOH溶液於50°C下浸泡電活性聚合物薄膜15分鐘後，浸入10mg/L的聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)溶液，進行I3DDA的自組裝，10-15分鐘後取出用去離子水衝洗2-3分鐘，吹乾；再浸入2mg/L的聚4-苯乙烯磺酸(PSS)溶液進行PSS的自組裝，10-15分鐘後取出用去離子水衝洗2-3分鐘，吹乾，操作重複一次。然後浸入15mg/L的聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)溶液，進行TODA的自組裝，10-15分鐘後取出用去離子水衝洗2-3分鐘，吹乾後浸入碳納米管溶液進行沉積自組裝，15-20分鐘後取出用去離子水衝洗2-3分鐘，吹乾，操作重複5-10次，至此可得到聚電解質/碳納米管薄膜，最後在真空乾燥箱50°C下處理2-5小時。
[0013]所述聚二烯丙基二甲基氯化銨為聚陽離子溶液，聚4-苯乙烯磺酸為聚陰離子溶液。
[0014]所述碳納米管溶液為羧基化碳納米管分散液，濃度0.25mg/ml，粒子帶有負電荷。
[0015]本發明利用靜電誘導自組裝方法製備了一種碳納米管/電活性聚合物薄膜傳感器件，提供了一種粘貼於被測物體表面即可測量其觸覺感知特性的器件，具有可裁剪為任意形狀、穩定可靠、可撓性好、快速響應等特點。【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例的結構組成示意圖，其中1、4為器件上表面周邊電極錨區，6、9為器件下表面周邊電極錨區，2、8為聚醯亞胺柔性絕緣保護層，3、7為碳納米管複合薄膜電極層，5為電活性聚合物薄膜，10為電活性聚合物薄膜5內部隨機分布的電疇。
[0017]圖2為本發明實施例在觸覺應力作用下的測量原理圖，其中1、4為器件上表面周邊電極錨區，6、9為器件下表面周邊電極錨區，2、8為聚醯亞胺柔性絕緣保護層，3、7為碳納米管複合薄膜電極層，5為電活性聚合物薄膜，10為在觸覺應力作用下電活性聚合物薄膜5內部極化取向一致的電疇。
[0018]圖3為碳納米管複合薄膜電極的製備工藝流程圖。
[0019]圖4為碳納米管複合薄膜在掃描電子顯微鏡(SEM)觀察下的微觀形貌。
[0020]圖5為本發明實施例在仿生機械手指不同彎曲角度下的輸出電壓響應曲線。
[0021]圖6為本發明實施例用於脈搏測量時的輸出電壓響應曲線。
【具體實施方式】
[0022]以下實施例將結合附圖對本發明作進一步說明。
[0023]參見圖1，本發明實施例設有電活性聚合物薄膜5、碳納米管複合薄膜電極層3和
7、聚醯亞胺柔性絕緣保護層2和8、器件表面周邊電極錨區1、4、6和9。本發明實施例為三明治結構，在無觸覺或運動壓力作用下，電活性聚合物薄膜內部電疇10隨機分布，相互抵消，表面電極層沒有電荷產生。
[0024]本發明實施例在觸覺或應力作用下，如圖2所示，電活性聚合物薄膜內部電疇10分布取向一致，碳納米管複合薄膜電極層上下表面產生異性電荷，經電荷放大器將高阻抗信號輸入轉化為低阻抗信號輸出，由微處理器或計算機對觸覺或運動應力下產生的電信號進行採集、存儲、顯示與處理。
[0025]本發明實施例的碳納米管複合薄膜電極製備工藝如圖3所示，採用5M NaOH溶液於50°C下浸泡電活性聚合物薄膜15分鐘後，浸入10mg/L的聚二烯丙基二甲基氯化銨(TODA)溶液，進行TODA的自組裝，10分鐘後取出用去離子水衝洗2分鐘，吹乾；再浸入2mg/L的聚4-苯乙烯磺酸(PSS)溶液進行PSS的自組裝，10分鐘後取出用去離子水衝洗2分鐘，吹乾，操作重複一次。然後浸入15mg/L的聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)溶液，進行TODA的自組裝，10分鐘後取出用去離子水衝洗2分鐘，吹乾後浸入碳納米管溶液進行沉積自組裝，15分鐘後取出用去離子水衝洗2分鐘，吹乾，操作重複5次，至此可實現電活性聚合物薄膜上下雙表面被覆聚電解質/碳納米管薄膜，最後在真空乾燥箱50°C下處理3小時。上述電極製備工藝不依賴特定的設備，且具有工藝簡單、方法靈活、易於操作等突出優勢。
[0026]採用掃描電子顯微鏡對本發明實施例中的碳納米管複合薄膜微觀形貌進行觀察，觀察結果如圖4所示，碳納米管在自組裝多層薄膜中以碳納米管束的形式均勻分布，並在聚合物基質中形成緻密結構、強結合力、高純度的隨機碳納米管網絡。
[0027]將本發明實施例平整貼附在仿生機械手的指關節處，當機械手指彎曲時，本發明薄膜傳感器件受應力作用在上下電極表面產生等量的異性電荷，經電荷放大器檢測到輸出電壓，圖5為本發明薄膜傳感器件在在不同的仿生機械手指彎曲角度(15° ,30° ,45°，60° ,75° ,90° )下的輸出電壓響應曲線，本發明實施例的輸出電壓峰值與機械手指彎曲角度具有較好的線性關係。
[0028]根據中醫切脈的方法，將本發明實施例粘貼在手腕部位用於採集脈搏信號，在脈搏信號壓力作用下，本發明薄膜傳感器件上下電極表面產生等量的異性電荷，此電荷信號經引線引出後經電荷放大器處理後，由微處理器進行採集。本發明實施例在脈搏測量時的響應曲線如圖6所示，對脈搏信號檢測具有響應迅速，採集準確、高靈敏度的特點。
[0029]以上結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了說明，但這些說明不應被理解為對本發明保護範圍的限制，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護範圍。
【權利要求】
1. 一種柔性薄膜觸覺傳感器件，其特徵在於由電活性聚合物薄膜基體、碳納米管複合薄膜電極層、電極錨區、聚醯亞胺薄膜保護層構成，採用靜電誘導自組裝方法在電活性聚合物薄膜基體上下表面製作碳納米管複合薄膜作為成對柔順電極層，形成三明治結構柔性薄膜，周邊電極錨區經金屬電極引線與電荷放大器連接於一體構成觸覺傳感器件，將該器件緊密貼合於被測物體表面即可用於觸覺感知的傳感測量。
2.根據權利要求1所述的柔性薄膜觸覺傳感器件，其特徵在於所述薄膜傳感器件是以電活性聚合物薄膜為柔性基體，包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯-全氟丙基乙烯基醚、聚四氟乙烯-六氟丙烯、及其以聚四氟乙烯為基的偏氟、四氟乙烯和六氟丙烯三元共聚物，或者上述聚合物複合薄膜。
3.根據權利要求1所述的柔性薄膜觸覺傳感器件，其特徵在於所述碳納米管複合薄膜電極層被覆於電活性聚合物基體上下兩表面。
4.根據權利要求1所述的柔性薄膜觸覺傳感器件，其特徵在於所述碳納米管複合薄膜電極層是採用靜電誘導自組裝方法構築的聚電解質/碳納米管網絡層狀薄膜，其厚度可通過自組裝層數實現納米級可控，單層厚度為3-6納米，薄膜層界面銜接牢固穩定，不易脫落。
5.根據權利要求1所述的柔性薄膜觸覺傳感器件，其特徵在於所述三明治結構柔性薄膜可裁剪為任意形狀，而且透光率達80%以上。
6.根據權利要求1所述的柔性薄膜觸覺傳感器件，其特徵在於所述周邊電極錨區採用鉚接或粘貼導電金屬箔，或塗布導電膠方式，或標準絲網印刷工藝製作，和碳納米管複合薄膜電極層電學連接，成對引出。
7.根據權利要求1所述的柔性薄膜觸覺傳感器件，其特徵在於所述碳納米管複合薄膜電極層表面塗覆一層聚醯亞胺薄膜，在熱板75°C烘乾處理5分鐘，用於作為柔性絕緣保護層。
8.根據權利要求1所述的柔性薄膜觸覺傳感器件，其特徵在於所述碳納米管複合薄膜電極層經電極錨區與電荷放大器連接，將高阻抗信號輸入轉化為低阻抗信號輸出，由微處理器或計算機實現電信號的採集、存儲、顯示與處理。
9.根據權利要求1所述的柔性薄膜觸覺傳感器件，其特徵在於所述碳納米管複合薄膜電極製備方法包括以下步驟: (1)採用5MNaOH溶液於50°C下浸泡電活性聚合物薄膜基體15分鐘； (2)配置聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)溶液和聚4-苯乙烯磺酸(PSS)溶液濃度分別為15mg/L和3mg/L,碳納米管溶液濃度為0.25mg/ml ； (3)在聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液中浸泡上述基體10-15分鐘，取出，去離子水清洗2-3分鐘，吹乾； (4)在聚4-苯乙烯磺酸溶液中浸泡上述基體10-15分鐘，取出，去離子水清洗2-3分鐘，吹乾； (5)重複步驟(3)和(4)一次； (6)在聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液中浸泡上述基體10-15分鐘，取出，去離子水清洗2-3分鐘，吹乾； (7)在碳納米管溶液中浸泡上述基體15-20分鐘，取出，去離子水清洗2-3分鐘，吹乾；(8)重複步驟(6)和(7)5-10次；(9)將上述製備 的薄膜在真空乾燥箱50°C處理2-5小時，得到碳納米管複合薄膜電極。
【文檔編號】G01B7/30GK103616097SQ201310500417
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】張冬至, 童俊, 劉哲 申請人:中國石油大學(華東)