一种柔性传感器的制作方法

本实用新型涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种柔性传感器。

背景技术：

随着机器人、智能假肢等行业的发展，人们对具有高度柔性的类人体皮肤的电子皮肤的需求越来越高。目前人们开发了一系列用于电子皮肤的柔性传感元件，如压力、温度、拉伸等信号的感知元件，电子皮肤的集成度与功能复杂度正逐渐得到提高。

人们一直模仿人体皮肤而设计电子皮肤。人体皮肤所接受的外界信号可以被分为两大类，对皮肤结构无损伤性的无伤害性信号和对皮肤结构有损伤性的伤害性信号。大量探测无伤害性信号的传感器分布在真皮层内，而大量监视伤害性信号的传感器分布在表皮层，用以保护内部的传感器系统，从而使整个系统稳定工作。

目前，用于探测无伤害性信号的传感器发展迅速，而用于感知伤害性信号的传感器很少被实现。因此，提供能够感知皮肤遭受伤害的传感器可进一步拓展电子皮肤功能。

技术实现要素：

针对上述技术现状，本实用新型旨在提供一种能够感知外界伤害性作用力的柔性传感器，将该传感器集成在电子皮肤中可拓展电子皮肤功能。

为了实现上述技术目的，本实用新型提供的技术方案为：一种柔性传感器，包括柔性基底、电极、液态金属薄膜，以及柔性封装层；

液态金属薄膜位于柔性基底上，由表面氧化的液态金属颗粒组成；

柔性封装层位于液态金属薄膜表面；

电极位于柔性基底上，用于监测液态金属薄膜某区域间的电信号；

在外力作用下，电极之间的电阻由高电阻变化为低电阻，则判断该外力为伤害性外力。

所述的柔性基底具有柔性，可发生弯曲、拉伸、扭转等形变。并且，所述柔性基底不浸润液态金属，即，液态金属在该柔性基底表面的接触角较大，液态金属颗粒在该柔性基底表面呈岛状，即，无法平铺展开形成覆盖层。

所述的柔性基底材料不限，包括聚二甲基硅氧烷(pdms)、pu、pi、pet、pvc等。

所述的液态金属包括但不限于镓(ga)、镓(ga)-铟(in)合金、镓(ga)-铟(in)-锡(sn)合金，以及过渡金属、固态非金属元素的一种或多种掺杂的镓、镓铟合金、镓铟锡合金等。

所述电极具有良好的导电性。所述电极材料不限，包括液态金属与固态金属等。

作为优选，所述的液态金属薄膜中，表面氧化的液态金属颗粒相互连接。

作为优选，所述电极为柔性电极，可发生弯曲、拉伸、扭转等形变，在形变条件下均为优良导体。

为了提高对伤害性外力的探测灵敏度，所述电极采用阵列分布，以提高电极分布密度，从而提高电极对液态金属薄膜各区域的导电性监测。所述电极阵列材料不限，包括液态金属、银纳米线、铜纳米线、石墨烯、碳纳米管等。

所述的柔性封装层具有柔性，可发生弯曲、拉伸、扭转等形变。所述的柔性封装层材料不限，包括聚二甲基硅氧烷(pdms)、pu、pi、pet、pvc等。作为优选，所述柔性封装层材料采用具有改性自修复的柔性材料，例如改性自修复pdms、改性自修复pi等。

所述的外力作用形式不限，可以是机械力、压力、重力等。

本实用新型还提供一种制备上述柔性传感器的方法，包括如下步骤：

(1)在柔性基底表面制备电极；

(2)将柔性基底置于腔体中，抽真空后采用物理气相沉积技术，在柔性基底表面沉积液态金属颗粒，然后使空气进入腔体，液态金属颗粒被氧化；

在该步骤(2)中，液态金属颗粒沉积在柔性基底表面，呈岛状生长，得到离散的液态金属颗粒，氧化后液态金属颗粒表面形成纳米级氧化膜，使液态金属颗粒之间呈绝缘态；

在该步骤(2)中，所述的物理气相沉积法不限，包括电阻热蒸发镀膜技术、电子束蒸发镀膜技术、磁控溅射镀膜技术等。

(3)在步骤(2)制得的液态金属薄膜表面制备柔性封装层。

作为优选，所述步骤(2)之后进行如下步骤(2-1)，然后进行步骤(3)：

(2-1)重复步骤(2)至少1次；

在该步骤(2-1)中，在步骤(2)获得的液态金属颗粒薄膜表面再次生长液态金属颗粒薄膜，可将之前步骤中得到的氧化后的液态金属颗粒进行连接，得到多层堆垛的液态金属薄膜，以提高各氧化后的液态金属颗粒的连接性，从而有利于在外力作用下由于液态金属表面氧化膜破裂而与电极形成导电连接。

通过调节步骤(2)以及步骤(2-1)中物理气相沉积的参数，可调节电极之间的电阻。

所述步骤(1)中，在柔性基底表面制备电极的方法不限，包括印刷、涂覆、沉积等。

所述步骤(3)中，制备柔性封装层的方法不限，包括印刷、涂覆、沉积等。

本实用新型提供的柔性传感器利用液态金属颗粒在柔性基底表面呈岛状生长的特点，获得由离散的表面氧化的液态金属颗粒组成的液态金属薄膜，通过电极测量该液态金属薄膜一定区域之间的电阻，在初始状态时，电极之间的电阻呈高阻态，当施加外力，在该外力作用下柔性封装层损伤，液态金属颗粒的表面氧化膜遭受外力而破裂，液态金属颗粒与电极连接形成导电通路时，电极之间的电阻变化为低阻态，即，根据电极之间阻态的变化可判断外力的伤害性：当所述柔性传感器在外力作用下电极之间的电阻由高电阻状态变化为低电阻状态时，则判断该外力为伤害性外力，当电阻保持高电阻状态时，则判断该外力为非伤害性外力。与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

(1)本实用新型的柔性传感器能够感知外界伤害性外力作用，将该传感器集成在电子皮肤中可拓展电子皮肤功能。

(2)通过液态金属薄膜的制备工艺调整，可得到在外力作用前后电极之间电阻为绝缘态阻值与金属阻值，因此在外力作用前后电阻变化幅度大，具有较高的开关比，能够提高探测灵敏度。

(3)当电极之间的电阻为低阻态时，在电极两端施加电压，当电流超过一定阈值，液态金属颗粒发生电迁移，使所述导电通路断开，电极之间的电阻可恢复到高阻态。在这种情况下，柔性封装层材料选用具有自修复功能的材料时，即，在外力作用下受损伤的柔性封装层的“伤口”具有自愈合性，该柔性传感器具有功能和结构的修复能力，可被多次使用。

(4)本实用新型的柔性传感器可以和普通触觉传感器联用，后者监测压强大小，在皮肤破损前进行预警，前者负责在受伤后进行定位、监视。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中的柔性传感器的结构示意图。

图2是本实用新型实施例1中制备柔性传感器过程中步骤(1)的示意图。

图3是本实用新型实施例1中制备柔性传感器过程中步骤(2)的示意图。

图4是本实用新型实施例1中制备柔性传感器过程中步骤(3)的示意图。

图5是本实用新型实施例1中制备柔性传感器过程中步骤(3)制得的样品结构示意图。

图6是本实用新型实施例1中制备柔性传感器过程中步骤(4)的示意图。

图7是本实用新型实施例1中制备柔性传感器过程中步骤(5)的示意图。

图8是本实用新型实施例1中制备柔性传感器过程中步骤(5)制得的样品结构示意图。

图9是外力施加在本实用新型实施例1中的柔性传感器的结构示意图。

图10是本实用新型实施例2中的柔性传感器的结构示意图。

图11是在伤害性外力作用前后本实用新型实施例1中的柔性传感器的电阻变化，以及伤害性外力作用后在施加电流条件下的电阻变化。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

其中的附图标记为：柔性基底1，蒸发舟2，进气阀3，真空泵电磁阀4，液态金属液滴5，腔体6，液态金属蒸汽7，液态金属颗粒8，液态金属颗粒9，电极10，封装层11，刀12，液态金属薄膜13。

实施例1：

本实施例中，柔性传感器结构如图1所示，包括柔性基底1、电极10、液态金属薄膜13，以及封装层11。

液态金属薄膜13位于柔性基底1上，由表面氧化的液态金属颗粒组成。

封装层11位于液态金属薄膜表面。

电极位于柔性基底上，用于监测液态金属薄膜某区域间的电信号。

柔性基底1采用自修复pu材料。封装层11采用自修复pu材料。

电极为液态金属和微米级铜粉的复合形成的条状液态金属/铜电极，其中液态金属是镓铟锡合金，各元素重量百分含量为：ga67.5％，in22.5％，sn10％。

该柔性传感器的制备方法如下：

(1)如图2所示，在柔性基底1上利用模板印刷制得两排条形液态金属/铜电极10。

(2)如图3所示，将步骤(1)处理后的柔性基底置于热蒸发设备的腔体6中，腔体6中还设置蒸发舟2，称量3ml液态金属液滴5放置在蒸发舟2内，本实施例中液态金属是镓铟锡合金，开启真空泵电磁阀4对腔体抽真空至气压小于3×10⁴pa。

(3)如图4所示，开启蒸发电源，蒸发舟2内的液态金属液滴5蒸发形成蒸汽7，在柔性基底1表面沉积一层由液态金属颗粒8组成的薄膜，液态金属颗粒在柔性基底1表面呈离散岛状生长，控制蒸发时间为5分钟，液态金属颗粒直径可达到10微米；然后，停止蒸发，关闭真空泵电磁阀4，开启进气阀3，释放空气进入腔体内，使液态金属表面形成一层约3nm厚的氧化层，得到如图5所示的样品结构。

(4)如图6所示，将步骤(3)得到的样品再次放入腔体6内，补充蒸发舟2内的液态金属液滴5达到3ml，开启真空泵电磁阀4对腔体抽真空至气压小于3×10⁴pa。

(5)如图7所示，开启蒸发电源，蒸发舟2内的液态金属液滴5蒸发形成蒸汽7，在柔性基底1的薄膜表面沉积液态金属颗粒9，控制蒸发时间为2分钟，液态金属颗粒9的直径可达到4微米左右；然后，停止蒸发，关闭真空泵电磁阀4，开启进气阀3，释放空气进入腔体内，使液态金属颗粒9表面形成一层约3nm厚的氧化层，得到如图8所示的样品结构。

(6)采用涂覆技术，将封装层材料涂覆在步骤(5)得到的样品的液态金属薄膜表面，然后固化，得到封装层11，得到如图1所示的样品结构。

当外力作用在上述制得的样品的封装层时，根据电极之间的电阻变化可判断该外力是否为伤害性外力。例如，如图1所示，由于液态金属薄膜13中的液态金属颗粒表面为氧化膜，液态金属薄膜13呈绝缘态，电极两端之间的电阻呈高阻态。如图9所示，在封装层11上用刀12施加外力，在该外力作用下，若柔性封装层11损伤，并且液态金属颗粒薄膜的液态金属颗粒表面氧化膜遭受外力而破裂，液态金属颗粒与电极形成导电通路时，电极之间的电阻变化为低阻态，如图11所示；若液态金属颗粒与电极未形成导电通路时，电极之间的电阻保持高阻态。即，用刀施加外力前后，根据电极之间阻态的变化可判断该外力是否为伤害性外力：当在该外力作用下电极之间的电阻由高电阻状态变化为低电阻状态时，则判断该外力为伤害性外力；当电阻保持高电阻状态时，则判断该外力为非伤害性外力。

另外，在该外力作用下电极之间的电阻变化为低阻态时，可以在电极两端施加电压，控制电流增加，如图11所示，当电流达到31ma时电阻恢复到高阻态，即，液态金属颗粒发生电迁移，使所述导电通路断开，电极之间的电阻恢复到高阻态。并且，由于柔性封装层材料pu具有自修复功能，在室温下放置12个小时以后，在该外力作用下受损伤的柔性封装层的“伤口”自然愈合，因此该柔性传感器具有功能和结构的修复能力，可被多次使用。

本实施例中的柔性传感器集成在电子皮肤中可拓展电子皮肤功能，能够感知、定位、监视外界伤害性外力作用。

实施例2：

本实施例中，柔性传感器结构与实施例1中的柔性传感器基本相同，所不同的是为了提高对伤害性外力的探测灵敏度，不仅能够探测横向的外力，而且能够探测纵向的外力，本实施例中的柔性传感器由两部分组成，第一部分结构与实施例1中的柔性传感器结构完全相同，第二部分结构是实施例1中的柔性传感器结构顺时针旋转90°得到，将第一部分与第二部分层叠，得到柔性传感器。

以上所述的实施例对本实用新型的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的具体实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。