一种柔性自支撑纤维编织型触觉传感器

文档序号:25997757发布日期:2021-07-23 21:13阅读:61来源:国知局
一种柔性自支撑纤维编织型触觉传感器

本发明属于柔性传感技术领域,尤其是涉及一种柔性自支撑纤维编织型触觉传感器。



背景技术:

柔性触觉传感器因具有高柔性,在电子皮肤,软机器人技术和健康监测系统中广泛应用。但,目前所报道的柔性触觉传感器大多数是二维平面型,器件本体需制备于柔性纤维布或橡胶等平面基底上,造成传感单元大、柔韧性差,透气性差,限制了其在在电子皮肤,可穿戴设备中应用。并且,额外基底的使用不利于真实触觉压力的感知,实心平面存在形式不利于复杂立体物体三维空间表面的共形贴附。可见,设计一种具有自支撑功能,透气性好,小传感单元的柔性触觉传感器非常必要。



技术实现要素:

针对上述领域难题,本发明提出一种柔性自支撑纤维编织型触觉传感器,其电极为线状导电材质,传感单元或阵列的压力感应触点为两根线状电极搭接处包裹离子凝胶而成,基于超级电容传感原理获得高灵敏度、宽检测量程和快响应时间。同时,整个纤维状传感器仅有线型电极和离子凝胶组成,具备柔性和自支撑特性,无需额外的承载基底。

为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:

一种柔性自支撑纤维编织型触觉传感单元,包括两根裹缚导电物质的线状电极、含有离子液体的离子凝胶,所述离子凝胶位于两根线状电极的接触点间,所述线状电极由线状基材裹缚导电物质制得,所述离子凝胶由离子液体、溶剂、高分子材料的混合物经过混合后凝固制得,三者的质量比为(1-3):(8-10):(1-3)。

电极上裹附的离子凝胶烘干后凝固力如树脂类胶,在使用多次后不会脱落,且离子凝胶的弹性大于树脂类胶。在两个裹附离子凝胶的线性电极之间滴加微量离子凝胶烘干后,形成传感单元,该单元扩展后可以形成网状阵列,可以自己成形(如窗纱、渔网),承重,不需要任何基底。

优选地,所述溶剂包括但不限于二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯、二甲基亚砜中的一种或两种以上的混合物。

优选地,所述高分子材料包括但不限于聚偏氟乙烯、四氟乙烯、四碘乙烯中的一种或两种以上的混合物。

优选地,所述离子液体为在室温或接近室温下呈现液态的且完全由有机阳离子与无机或有机阴离子组成盐,阳离子包括但不限于季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子、吡咯盐离子中的一种或两种以上的混合物,阴离子包括但不限于卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子中的一种或两种以上的混合物。

优选地,所述线状基材包括但不限于由单根或多股线构成的棉线或尼龙线。

所述线状电极与离子凝胶的尺寸可以根据使用条件与使用环境进行调整且两者均具有可裁剪性。

优选地,所述导电物质为碳、金属或导电聚合物等导电材质,包括但不限于石墨、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、mxene、银纳米线、银颗粒、铜颗粒、聚吡咯、聚噻吩中的一种或两种以上的混合物。

优选地,所述传感单元构成形式包括但不限于包裹离子凝胶的两根线状电极的十字交叉型、倾斜交叉型或相互绞缆型。

本发明的第二目的在于提供一种纤维编织型触觉传感陈列,所述传感阵列由多个传感单元构成,所述传感陈列的结构形式包括但不限于包裹离子凝胶的多根线状电极的相互十字或倾斜交叉型,整体成为具备柔性自支撑特点的渔网形状,可平铺于二维平面,或者包裹在复杂立体物体的三维空间表面。

本发明的第三目的在于提供一种纤维编织型触觉传感器,所述传感器为传感单元或传感阵列。

本发明的第四目的在于提供一种柔性自支撑纤维编织型触觉传感器的制备方法,具体包括如下步骤:

(1)线状电极的制备

将线状基材在碱性水溶液中浸渍处理,取出并用去离子水漂洗干净,待烘干后整体均匀蘸取导电物质浆料,然后在40℃烘箱内进行烘干,并进行3-5个循环以获得具有高导电率的线状电极;

(2)离子凝胶的制备

将离子液体、溶剂、高分子材料、离子液体按照(1-3):(8-10):(1-3)的质量比进行称量,然后将三者进行混合,并用磁力搅拌器搅拌2-4小时充分均匀混合,待高分子材料完全溶解即可获得离子凝胶溶液;

(3)传感器的制备

将线状电极均匀蘸取离子凝胶溶液后在室温或者烘箱中进行烘干,然后将两根线状电极进行十字交叉、倾斜交叉或者相互绞缆摆放,再在两根电极的接触点上涂覆离子凝胶溶液,在室温或者烘箱中进行烘干获得传感单元;将多根线状电极进行横纵的十字交叉或者倾斜交叉的摆放,在形成的多个两线状电极间接触点上涂覆离子凝胶溶液,在室温或者烘箱中进行烘干获得传感阵列;

(4)传感器的接线

在传感单元或阵列的电极两端使用银胶粘贴导电金属线,实现传感器与外界的电气相连。

本发明所述的传感器可应用于灵敏压力传感和二维空间压力分布监测等,用于柔性可穿戴设备和健康护理机器人上。

本发明传感器的基本工作原理:

电极与离子凝胶组成触觉传感器,当有压力施加于传感器上时,传感器的电极、电介质均会在压力的作用下发生变形,从而导致电介质与电极的接触面积变大,距离减小,引起电容的增加;当压力消失时,电介质层又会恢复原状,电容也会恢复原值。电容的变化可以转变为电信号传输给后续处理电路,从而监测到力的大小。

电极与离子凝胶形成电极或电解质界面,当电极层与离子凝胶层的两面接触时,在外界电源的作用下,电极的内部表面电荷会从电解质中吸附离子,这些离子在电极或离子凝胶界面的电解质一侧形成一个电荷数量与电极内表面荷电电荷数量相等,且符号与其相反的界面层,由于电极或电解质界面上存在着电位差,使得两层电荷都不能越界而彼此中和,因此形成结构稳定的超级电容。

由线性基材裹缚导电材料(如石墨烯、mxene、cnt等)电极层,将溶剂、高分子材料与离子液体混合,搅拌均匀后制备电介质,然后将电极蘸取电介质烘干后,将两电极制备成绞形,然后再将传感器定形后整体蘸取离子凝胶获得传感器。将做好的传感器连接到电容测量电路,实现压力映射。

相对于现有技术,本发明所述的一种柔性自支撑纤维编织型触觉传感器具有以下有益效果:

(1)本发明所述的传感器电极是通过在线性基材裹缚导电物质后获得,线性基材内部具有大量的纤维微结构可有效提高压缩空间,在其蘸取离子凝胶后获取弹性,可有效提高使用寿命;该电极的导电物质与基材获取方便,价格低廉且导电率可以依据蘸取次数调整。两电极交叉形成传感单元,两电极之间为点接触,与三明治结构传感器相比灵敏度可达9.62kpa-1,提高了54倍。

(2)本发明所述的传感器可以检测到的压力范围为0-580kpa,且其制备流程简易,在两电极蘸取离子凝胶烘干后即可获得传感器单元;传感器具有很好可裁剪性,尺寸在性能与结构不被破坏的前提下可以灵活调整。

(3)本发明所述的传感器具有自支撑功能,不需要额外的基底,极大地提高了传感器的柔性、灵敏度与适用范围;在将传感器制备成阵列后,可用于空间压力分布检测,当电极间距离减小时可制备成具有良好透气性的穿戴设备;且传感器阵列可以自由贴附于立体物体三维表面,进行三维空间压力分布的检测。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:

图1为本发明传感器的示意图和扫描电镜图,其中,

图1(a)为本发明传感器的电极表面的扫描电镜图,

图1(b)为本发明传感器的十字交叉传感单元整体结构示意图,

图1(c)为本发明传感器的电极裹附离子凝胶横截面的扫描电镜图;

图2为本发明传感器的绞形示意图;

图3为本发明传感器的工作原理示意图;

图4为本发明6×6传感器阵列示意图;

图5为6×6传感器阵列的实物图和压力分布图,其中,

图5(a)-(c)为本发明的6×6传感器阵列具有可支撑的示意图,

图5(d)为本发明传感器阵列制备于具有复杂形状的乒乓器表面实物图,

图5(e)为将10g砝码放置于本发明6×6传感器阵列表面上,

图5(f)为将10g砝码躺于本发明6×6传感器阵列表面上,

图5(g)为将0.5元硬币放置于本发明6×6传感器阵列表面上,

图5(h)为将手指放于空间传感器阵列表面上,

图5(i)为将10g砝码放置于本发明6×6传感器阵列表面上对应的压力分布图,

图5(j)为将10g砝码躺于本发明6×6传感器阵列表面上对应的压力分布图,

图5(k)为将0.5元硬币放于本发明6×6传感器阵列表面上对应的压力分布图,

图5(l)为将手指放于空间传感器阵列表面上对应的压力分布图;

图6为本发明6×6传感器的阵列a处的局部图;

图7为本发明实施例1-3传感器的压容关系图;

图8为本发明对比例1传感器的压容关系图。

图中:1、线性电极一;2、电介质;3、线性电极二。

具体实施方式

除有定义外,以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂,如无特殊说明,均为常规生化试剂;所述实验方法,如无特殊说明,均为常规方法。

下面结合实施例及附图来详细说明本发明。

实施例1

本实施例提供了一种柔性自支撑纤维编织型触觉传感器,用于监测人体或机器人与导管部位压力的大小,该传感器包括两个线性电极与含离子液体的电介质。

本实施例柔性自支撑纤维编织型触觉传感器的制作过程是:

(1)电极的制备

将2根10cm长、100d粗的棉线在浓度为5g/l的氢氧化钠水溶液中浸渍处理取出并用去离子水漂洗干净,然后放置于40℃烘箱中烘干,待烘干后整体均匀蘸取浓度为5mg/ml的mxene溶液,然后在40℃烘箱内进行烘干,并进行3个循环获得具有良好导电性的电极;

(2)离子凝胶的制备

将溶剂二甲基甲酰胺、高分子物质聚偏氟乙烯、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐按照10:1:1的质量比进行称量,然后将三者进行混合,并用磁力搅拌器搅拌2-4小时,待聚偏氟乙烯完全溶解即可获得离子凝胶溶液;

(3)传感器的制备

将电极均匀蘸取离子凝胶后在40℃烘箱中进行烘干,然后在两电极交叉点涂抹适量离子凝胶溶液,将两个电极十字交叉放置,传感器整体在40℃烘箱中烘干后获得传感器;

(4)传感器的接线

在电极两端使用银胶粘贴导电金属线,实现传感器与外界电气相连。

传感器原理如图3所示,在压力作用下,电介质与电极之间产生物理接触,并且接触面积随着负载的增加而增加,当负载消失时,传感器恢复原状,电容值恢复初值;在拉力作用下,电介质与电极之间产生物理接触,并且接触面积随着负载的增加而增加,当负载消失时,传感器恢复原状,电容值恢复初值。

实施例2

本实施例提供了一种柔性自支撑纤维编织型触觉传感器,用于监测人体或机器人与导管部位压力的大小,该传感器包括两个线性电极与含离子液体的电介质。

本实施例柔性自支撑纤维编织型触觉传感器的制作过程是:

(1)电极的制备

将2根10cm长、100d粗的棉线在浓度为5g/l的氢氧化钠水溶液中浸渍处理取出并用去离子水漂洗干净,然后放置于40℃烘箱中烘干,待烘干后整体均匀蘸取浓度为5mg/ml的cnt溶液,然后在40℃烘箱内进行烘干,并进行3个循环获得具有良好导电性的电极;

(2)离子凝胶的制备

将溶剂二甲基甲酰胺、高分子物质聚偏氟乙烯、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐按照10:1:1的质量比进行称量,然后将三者进行混合,并用磁力搅拌器搅拌2-4小时,待聚偏氟乙烯完全溶解即可获得离子凝胶溶液;

(3)传感器的制备

将电极均匀蘸取离子凝胶后在40℃烘箱中进行烘干,然后在两电极交叉点涂抹适量离子凝胶溶液,将两个电极十字交叉放置,传感器整体在40℃烘箱中烘干后获得传感器;

(4)传感器的接线

在电极两端使用银胶粘贴导电金属线,实现传感器与外界电气相连。

传感器原理如图3所示,在压力作用下,电介质与电极之间产生物理接触,并且接触面积随着负载的增加而增加,当负载消失时,传感器恢复原状,电容值恢复初值;在拉力作用下,电介质与电极之间产生物理接触,并且接触面积随着负载的增加而增加,当负载消失时,传感器恢复原状,电容值恢复初值。

实施例3

本实施例提供了一种柔性自支撑纤维编织型触觉传感器,用于监测导管头部压力的大小,该传感器包括两个线性电极与含离子液体的电介质。

本实施例柔性自支撑纤维编织型触觉传感器的制作过程是:

(1)电极的制备

将2根10cm长、100d粗的棉线在浓度为5g/l的氢氧化钠水溶液中浸渍处理取出并用去离子水漂洗干净,然后放置于40℃烘箱中烘干,待烘干后整体均匀蘸取浓度为5mg/ml的mxene溶液,然后在40℃烘箱内进行烘干,并进行3个循环获得具有良好导电性的电极;

(2)离子凝胶的制备

将溶剂二甲基甲酰胺、高分子物质聚偏氟乙烯、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐按照10:1:1的质量比进行称量,然后将三者进行混合,并用磁力搅拌器搅拌2-4小时,待聚偏氟乙烯完全溶解即可获得离子凝胶溶液;

(3)传感器的制备

将电极均匀蘸取离子凝胶后在40℃烘箱中进行烘干,然后将两个电极缠绕成绞形,将绞形传感器整体再次蘸取电介质溶液,在40℃烘箱中进行烘干获得传感器;

(4)传感器的接线

在电极两端使用银胶粘贴导电金属线,实现传感器与外界电气相连。

对比例1

本实施例提供了一种柔性自支撑纤维编织型触觉传感器,用于监测人体或机器人与导管部位压力的大小,该传感器包括两个线性电极与含离子液体的电介质。

本实施例柔性自支撑纤维编织型触觉传感器的制作过程是:

(1)电极的制备

将2根10cm长、100d粗的棉线在浓度为5g/l的氢氧化钠水溶液中浸渍处理取出并用去离子水漂洗干净,然后放置于40℃烘箱中烘干,待烘干后整体均匀蘸取浓度为5mg/ml的mxene溶液,然后在40℃烘箱内进行烘干,并进行3个循环获得具有良好导电性的电极;

(2)离子凝胶的制备

将溶剂二甲基甲酰胺、高分子物质聚偏氟乙烯、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐按照10:1:0的质量比进行称量,然后将三者进行混合,并用磁力搅拌器搅拌2-4小时,待聚偏氟乙烯完全溶解即可获得离子凝胶溶液;

(3)传感器的制备

将电极均匀蘸取离子凝胶后在40℃烘箱中进行烘干,然后在两电极交叉点涂抹适量离子凝胶溶液,将两个电极十字交叉放置,传感器整体在40℃烘箱中烘干后获得传感器;

(4)传感器的接线

在电极两端使用银胶粘贴导电金属线,实现传感器与外界电气相连。

电极是由尼龙绳蘸取多次mxene溶液烘干后获得,电极表面的扫描电镜如图1(a)所示,尼龙绳表面分布大量均匀的mxene颗粒,这是电极具有良好导电性的保证;电极上裹附离子凝胶后既可以使电极具有良好弹性又可以保护mxene不脱离尼龙绳,横截面扫描电镜图如图1(c)所示;两根裹附离子凝胶后的电极交叉放置即可形成传感单元,示意图如图1(b)所示。

传感器原理如图3所示,在压力作用下,电介质与电极之间产生物理接触,并且接触面积随着负载的增加而增加,当负载消失时,传感器恢复原状,电容值恢复初值;在拉力作用下,电介质与电极之间产生物理接触,并且接触面积随着负载的增加而增加,当负载消失时,传感器恢复原状,电容值恢复初值。

为了验证该触觉传感器的静态特性,首先将实施例1-3、对比例1的导线与lcr表相连接,然后利用压力机和lcr表对传感器电容和压力之间的关系进行测量,得到如图7-8所示的电容曲线,可以检测到的压力为0-580kpa。实施例1-3制备的压力传感器在不同压强下得到的电容值可以稳定、精确的反映出外界压强。实施例1中第一阶段灵敏度为9.62kpa-1,第二阶段灵敏度为0.99kpa-1;实施例2中第一阶段灵敏度为8.73kpa-1,第二阶段灵敏度为0.82kpa-1。实施例2是在实施例1的基础上将导电材质mxene溶液换成了cnt溶液,实施例1的传感器的电容响应曲线比实施例2的灵敏度更高,可见导电材质的不同会因导电性能不同导致器件性能有差异,但均可以实现实验目的。实施例3是在实施例1的基础上将十字交叉传感器改为绞形传感器,在对其施加压力时,电容也会发生明显变化,第一阶段灵敏度为7.21kpa-1,第二阶段灵敏度为0.68kpa-1。对比例1是在实施例1的基础上将离子液体的含量变为0,第一阶段灵敏度为0.18kpa-1,第二阶段灵敏度为0.005kpa-1,各阶段的灵敏度均下降很多,第一阶段灵敏度是实施例1的1/54;第二阶段灵敏度是实施例1的1/198,可见,离子液体对于传感器界面形成双电层非常关键,且对于提高传感器的灵敏度也很重要。

按照实施例1中的传感器的制备方法制备出6×6传感器阵列(示意图为图4,实物图为图5),可见该传感器阵列具有自支撑的功能,不需要衬底,可以使用镊子提起,并且具有像渔网一样功能,将10g砝码包裹其中而不会被破坏。为了验证传感器阵列的可行性,我们将10g砝码、0.5元硬币分别放于传感器阵列上方,在其对应的压力分布图中均可以显示出压力施加的位置与大小,并且很明显地可以看到硬币的轮廓。该传感器阵列不仅可以制备成2d平面结构,还可以贴附于3d复杂物体的表面,如乒乓球上,并且将手指轻触传感单元时,在压力分布图上可以清晰地看到施加压力的位置。若将电极之间的距离减小,可以制备成可穿戴设备。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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