薄膜压阻材料的制备方法、薄膜压阻材料、机器人及设备与流程

本申请实施例涉及电子材料研究技术领域，特别涉及一种薄膜压阻材料的制备方法、薄膜压阻材料、机器人及设备。

背景技术：

压阻材料是具有压力阻变特征的材料，压阻材料的阻抗随压力的变化而变化。

在相关技术中，通过以水分散的碳材料和硼氢化物为原料，以开孔海绵为三维模板，采用浸渍法得到含碳材料或硼氢化物复合物的海绵，干燥后浇注或浸渍不同种类的高分子材料，制得三维网状的复合材料，该复合材料即可作为压阻材料使用，其阻抗可以随压力的变化而变化。

在上述技术中，制备得到的压阻材料为海绵状，材料过厚，所占空间较大。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种薄膜压阻材料的制备方法、薄膜压阻材料、机器人及设备，可以制备出厚度较小的薄膜压阻材料。所述技术方案如下：

一方面，本申请实施例提供了一种薄膜压阻材料的制备方法，所述方法包括：

确定制备薄膜压阻材料所使用的导电颗粒和交联聚合物的质量比，所述质量比的取值范围为3:97～20:80；

将所述导电颗粒和所述交联聚合物按照所述质量比分散在溶剂中，得到第一分散液；

在25～200摄氏度的温度范围内，采用滴液法将所述第一分散液固化为所述薄膜压阻材料。

另一方面，本申请实施例提供了一种薄膜压阻材料，所述薄膜压阻材料是采用上述方法制备的薄膜压阻材料。

再一方面，本申请实施例提供了一种机器人皮肤，所述机器人皮肤包括采用上述方法制备的薄膜压阻材料。

又一方面，本申请实施例提供了一种机器人，所述机器人包括机器人皮肤，所述机器人皮肤包括采用上述方法制备的薄膜压阻材料。

还一方面，本申请实施例提供了一种电子设备，所述电子设备包括电子电路，所述电子电路包括薄膜压阻材料，所述薄膜压阻材料是采用上述方法制备的薄膜压阻材料。

本申请实施例提供的技术方案可以包括如下有益效果：

通过将导电颗粒和交联聚合物按照所需的质量比分散在溶剂中，得到第一分散液，并通过滴液法将第一分散液固化为所需的薄膜压阻材料，提供了一种采用滴液法制备薄膜级的压阻材料的方法，有效控制了压阻材料的厚度，从而制备出厚度较小的薄膜压阻材料。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例提供的薄膜压阻材料的制备方法的流程图；

图2是本申请另一个实施例提供的薄膜压阻材料的制备方法的流程图；

图3是本申请一个实施例提供的薄膜压阻材料的示意图；

图4是本申请一个实施例提供的压强和厚度对薄膜压阻材料与灵敏度之间关系的示意图；

图5是本申请一个实施例提供的薄膜压阻材料的厚度与压阻变化范围的关系示意图；

图6是本申请一个实施例提供的预固化剂中的活性成分浓度与灵敏度和压阻响应范围的关系示意图；

图7是本申请一个实施例提供的薄膜压阻材料的压力响应/恢复时间的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法或产品的例子。

请参考图1，其示出了本申请一个实施例提供的薄膜压阻材料的制备方法的流程图。在本实施例中，该方法可以包括如下几个步骤(101～103)：

步骤101，确定制备薄膜压阻材料所使用的导电颗粒和交联聚合物的质量比。

可选地，导电颗粒和交联聚合物的质量比的取值范围为3:97～20:80。

在一些实施例中，薄膜压阻材料包括导电颗粒和交联聚合物。导电颗粒是具有导电性能的颗粒状物质，其尺寸量级可以为纳米级别，导电颗粒的最大尺寸可以是几百纳米，也可以是几十纳米，还可以是几纳米。交联聚合物又称交联高分子，是指三维网状结构的聚合物。

导电颗粒可以包括以下至少一种：多壁碳纳米管、石墨烯和导电金属纳米颗粒。当导电颗粒为多壁碳纳米管时，多壁碳纳米管的长径比(即长度与直径的比值)大于1。在薄膜压阻材料中，多壁碳纳米管与薄膜压阻材料的质量比为3:100～20:100(即导电颗粒和交联聚合物的质量比为3:97～20:80)，多壁碳纳米管与薄膜压阻材料的质量比的具体比值由相关技术人员根据实际情况进行设定，本申请实施例对此不做限定。多壁碳纳米管的长径比越大，最终制备得到的薄膜压阻材料的灵敏度也越高。

灵敏度是指某方法对单位浓度或单位量待测物质变化所致的响应量变化程度。在本申请中，薄膜压阻材料的灵敏度可以用通过薄膜压阻材料的电流的变化量与薄膜压阻材料所受压强的比值来表示，也可以用薄膜压阻材料的阻抗的变化量与薄膜压阻材料所受压强的比值来表示。

在一些实施例中，交联聚合物包括以下至少一种：热塑性聚氨酯和环氧树脂。

步骤102，将导电颗粒和交联聚合物按照质量比分散在溶剂中，得到第一分散液。

分散液可以指固体颗粒或液体物质均匀分散在溶剂中得到的混合液。导电颗粒和交联聚合物可以被均匀分散在溶剂中，该溶剂中可以包括一种或多种有机溶剂，第一分散液中的导电颗粒与交联聚合物的质量比符合步骤101中确定的质量比。

步骤103，采用滴液法将第一分散液固化为薄膜压阻材料。

可选地，在在25～200摄氏度的温度范围内，采用滴液法将第一分散液固化为薄膜压阻材料。

本申请中的滴液法是指将混合液体(如第一分散液)滴在物体表面上的材料制备方法，当液体中的有机溶剂挥发掉之后，剩下的固体即为薄膜压阻材料。

其中，将混合液体滴在物体表面上的方法可以是：用滴定装置(如滴管)取一定量的混合液体，并将滴定装置的滴液口垂直悬于物体表面上方，再通过挤压等方式使混合液体从滴液口滴到物体表面上。

综上所述，本申请实施例提供的技术方案中，通过将导电颗粒和交联聚合物按照所需的质量比分散在溶剂中，得到第一分散液，并通过滴液法将第一分散液固化为所需的薄膜压阻材料，提供了一种采用滴液法制备薄膜级的压阻材料的方法，有效控制了压阻材料的厚度，从而制备出厚度较小的薄膜压阻材料。

本申请实施例中，由于制备出的薄膜压阻材料厚度较小，其灵敏度和响应度也相应提高。

请参考图2，其示出了本申请另一个实施例提供的薄膜压阻材料的制备方法的流程图。在本实施例中，该方法可以包括如下几个步骤(201～205)：

步骤201，确定制备薄膜压阻材料所使用的导电颗粒和交联聚合物的质量比。

本步骤201的具体内容可以参考上述图1实施例的步骤101的内容，此处不再赘述。

步骤202，将导电颗粒分散在第二溶剂中，得到第二分散液。

将导电颗粒加入第二溶剂中后，使导电颗粒在第二溶剂中均匀分散，可以得到第二分散液。当导电颗粒为多壁碳纳米管，第二溶剂为n-甲基吡咯烷酮时，多壁碳纳米管在第二分散液中的浓度大于或等于0.1％，且小于或等于10％。

在一些实施例中，步骤202可以包括如下子步骤：

1、将导电颗粒加入第二溶剂中；

2、采用分散装置将导电颗粒分散在第二溶剂中，得到第二分散液。

由于分散装置可以提高颗粒的分散速度和分散均匀性，将导电颗粒加入第二溶剂中后，可以采用分散装置对导电颗粒进行分散，从而方便快捷地得到分散均匀性较好的第二分散液。

分散装置包括以下至少一种：超声分散装置和真空分散机。

在一些实施例中，当采用超声分散装置分散导电颗粒时，将装有导电颗粒和第二溶剂的容器放在超声分散装置的超声接收区域，从而使导电颗粒尽可能均匀地分散在第二溶剂中。在分散过程中，可以多次(或一次)控制超声分散装置停止发出超声波，或者多次(或一次)将该容器移出超声接受区域；在两次超声分散的时间间隔内，可以使用第二搅拌装置对导电颗粒和第二溶剂进行搅拌，以加快导电颗粒的分散速度，并防止因导电颗粒和第二溶剂的温度过高而影响薄膜压阻材料的性能。

第二搅拌装置可以是磁力搅拌装置，也可以是机械搅拌装置，本申请实施例对此不做限定。

步骤203，将交联聚合物分散在第三溶剂中，得到第三分散液。

将交联聚合物加入第三溶剂中后，使交联聚合物在第三溶剂中均匀分散，从而得到第三分散液。当交联聚合物为热塑性聚氨酯，第三溶剂为n,n-二甲基甲酰胺溶液时，在第三分散液中，热塑性聚氨酯与n,n-二甲基甲酰胺溶液的质量比为1:2～1:50。

在一些实施例中，步骤203可以包括如下子步骤：

1、将交联聚合物加入第三溶剂中；

2、采用第一搅拌装置将交联聚合物分散在第三溶剂中，得到第三分散液。

采用搅拌装置对加入交联聚合物的第三溶剂进行搅拌，可以提高交联聚合物在第三溶剂中的分散速度。在一些可能的实施例中，第一搅拌装置可以是磁力搅拌装置，也可以是机械搅拌装置，本申请实施例对此不做限定。

步骤204，根据质量比将第二分散液和第三分散液混合，得到第一分散液。

按照所需的导电颗粒和交联聚合物的质量比、导电颗粒在第二分散液中的的浓度以及交联聚合物在第三分散液中的浓度，可以计算得到配置第一分散液所需的第二分散液和第三分散液的质量比，从而根据第二分散液和第三分散液的质量比将第二分散液和第三分散液混合，得到第一分散液。

在一些实施例中，导电颗粒在第二分散液中的浓度为5％，交联聚合物在第三分散液中的浓度为45％。在一个示例中，所需的导电颗粒和交联聚合物的质量比为1:9，可以通过计算得出配置第一分散液所需的第二分散液和第三分散液的质量比为1:1。在另一个示例中，所需的导电颗粒和交联聚合物的质量比为1:5，可以通过计算得出配置第一分散液所需的第二分散液和第三分散液的质量比为9:5。

步骤205，采用滴液法将第一分散液固化为薄膜压阻材料。

对步骤205的一些解释说明可以参考上述图1实施例的步骤103中的内容，此处不再赘述。

在一些实施例中，步骤205可以包括如下子步骤：

1、将第一溶剂和第一分散液按照所需的第一粘度进行混合，得到第一粘度的预固化剂；

2、根据预固化剂中的导电颗粒的浓度、交联聚合物的浓度以及薄膜压阻材料的所需尺寸，确定预固化剂的第一用量；

3、取出第一用量的预固化剂；

4、将第一用量的预固化剂滴在衬底的固化区域进行固化，得到薄膜压阻材料，衬底的温度范围为25～200摄氏度。

固化区域为所述第一用量的所述预固化剂固化时所在的区域，衬底为承托所述薄膜压阻材料的物体。可选地，衬底可以是电子电路，也可以是金属电极，也可以是硅板，还可以是其他物体，本申请实施例对此不做限定。

第一溶剂可以是n,n-二甲基甲酰胺溶液。加入第一溶剂可以改变第一分散液的粘度，加入的第一溶剂的量越多，得到的预固化剂的粘度越小。将第一溶剂加入第三分散液中之后，可以采用第三搅拌装置搅拌第一溶剂和第一分散液，从而加快第一溶剂和第一分散液的混合速度并提高混合均匀性。第一用量的预固化剂可以全部取出，也可以分次取出。取出的第一用量的预固化剂可以装在滴管或其他滴定装置中，然后滴在固化区域中进行固化。在固化过程中，预固化剂中的溶剂挥发；固化完成后，可以得到由导电颗粒和交联聚合物组成的薄膜压阻材料。

需要说明的是，第一搅拌装置、第二搅拌装置和第三搅拌装置可以是同一装置，也可以是各不相同的装置；第一搅拌装置、第二搅拌装置和第三搅拌装置中还可以有两者为同一装置，本申请实施例对此不做限定。

在一些实施例中，将第一用量的预固化剂滴在衬底的固化区域进行固化，得到薄膜压阻材料之前，还可以包括如下步骤：

1、调整加热板直到加热板的顶面与水平面平行；

2、将衬底置于加热板的顶面上；

3、保持加热板和衬底的温度在25～200摄氏度范围内。

将加热板调整至水平一方面可以限制预固化剂从固化区域中流出，另一方面可以最大限度地保证薄膜压阻材料的厚度的均匀性。将衬底放在加热板上进行加热，使得衬底受热均匀，从而使得预固化剂整体均匀固化。使用加热的方式对预固化剂进行固化，可以提高预固化剂的固化速度。

而加热板和衬底的温度保持在预设温度范围内，一方面可以保证预固化剂较快的固化速度，另一方面又可以避免衬底被烧坏。预设温度范围可以是25～200摄氏度范围内的温度范围，如70～90摄氏度、60～180摄氏度等等，预设温度范围的具体范围可以由相关技术人员根据实际情况进行设定，本申请实施例对此不做限定。

综上所述，本申请实施例所提供的技术方案中，通过向第一分散液中加入第一溶剂以得到粘度变小的预固化剂，从而便于预固化剂从滴定装置中顺利滴下，节约了制备薄膜压阻材料的时间。

本申请实施例中，由于导电颗粒在第二溶剂中具有较好的分散效果，交联聚合物在第三溶剂中具有较好的分散效果，通过先将导电颗粒分散在第二溶剂中得到第二分散液，将交联聚合物分散在第三溶剂中得到第三分散液，再将第二分散液和第三分散液混合得到第一分散液，相比于将导电颗粒和交联聚合物同时分散在同一溶剂中，导电颗粒或交联聚合物在第一分散液中不易团聚，提高了导电颗粒和交联聚合物在第一分散液中的分散均匀性和稳定性。

请参考图3，其示出了本申请一个实施例提供的薄膜压阻材料的示意图。如图3所示，采用上述的薄膜压阻材料的制备方法，可以在衬底31上固化得到薄膜压阻材料32。以下以制备薄膜压阻材料采用的导电颗粒为多壁碳纳米管、交联聚合物为热塑性聚氨酯、第一溶剂和第三溶剂均为n,n-二甲基甲酰胺溶液、第二溶剂为n-甲基吡咯烷酮为例，介绍本申请实施例提供的薄膜压阻材料的特性。

其他条件相同时，薄膜压阻材料在压强较低时的灵敏度大于压强较高时的灵敏度；其他条件相同时，薄膜压阻材料的厚度越小，灵敏度越大。请参考图4，其示出了本申请一个实施例提供的压强和厚度对薄膜压阻材料与灵敏度之间关系的示意图，在图4中，多壁碳纳米管在薄膜压阻材料的质量的百分比为11.8％。如图4所示，49μm厚度的薄膜压阻材料在0～10kpa的压强区域内的灵敏度为392kpa^-1。分别对比线条41和线条45、线条42和线条46、线条43和线条47、线条44和线条48可知，对于相同厚度的薄膜压阻材料，在0～0.4kpa的压强区域内的灵敏度大于在0～10kpa的压强区域内的灵敏度。对比线条41、线条42、线条43和线条44可知，线条41对应的薄膜压阻材料的厚度<线条42对应的薄膜压阻材料的厚度<线条43对应的薄膜压阻材料的厚度<线条44对应的薄膜压阻材料的厚度，在0～10kpa的压强区域内，线条41对应的薄膜压阻材料的灵敏度>线条42对应的薄膜压阻材料的灵敏度>线条43对应的薄膜压阻材料的灵敏度>线条44对应的薄膜压阻材料的灵敏度。

请参考图5，其示出了本申请一个实施例提供的薄膜压阻材料的厚度与压阻变化范围的关系示意图。如图5所示，曲线51对应的薄膜压阻材料的厚度<曲线52对应的薄膜压阻材料的厚度<曲线53对应的薄膜压阻材料的厚度<曲线54对应的薄膜压阻材料的厚度，然而，压阻变化范围的关系是：曲线52对应的薄膜压阻材料的压阻变化范围>曲线51对应的薄膜压阻材料的压阻变化范围>曲线53对应的薄膜压阻材料的压阻变化范围>曲线54对应的薄膜压阻材料的压阻变化范围。可以看出，薄膜压阻材料并不是厚度越大，压阻变化范围越大。

请参考图6，其示出了本申请一个实施例提供的预固化剂中的活性成分浓度与灵敏度和压阻响应范围的关系示意图，活性成分是指多壁碳纳米管和热塑性聚氨酯。如图6所示，在活性成分的质量相同且多壁碳纳米管和热塑性聚氨酯的质量比也相同时，预固化剂的浓度越高，制备得到的薄膜压阻材料的灵敏度越高，压阻变化范围越小。例如，曲线61(预固化剂的浓度为6.5％)对应的灵敏度>曲线62(预固化剂的浓度为4.8％)对应的灵敏度>曲线63(预固化剂的浓度为3.6％)对应的灵敏度；曲线61对应的压阻变化范围<曲线62对应的压阻变化范围<曲线63对应的压阻变化范围。

薄膜压阻材料的压力响应/恢复时间小于13ms。请参考图7，其示出了本申请一个实施例提供的薄膜压阻材料的压力响应/恢复时间的示意图。如图7所示，框图71表示以0.25hz的频率对薄膜压阻材料施加0.95kpa的压强时，薄膜压阻材料的压力响应时间和压力恢复时间均小于13ms。框图72表示以0.25hz的频率对薄膜压阻材料施加0.16kpa的压强时，薄膜压阻材料的压力响应时间和压力恢复时间均小于13ms。

另外，在人工智能领域，一种典型的应用场景是机器人应用。人工智能(artificialintelligence，ai)是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能、感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。换句话说，人工智能是计算机科学的一个综合技术，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。人工智能也就是研究各种智能机器的设计原理与实现方法，使机器具有感知、推理与决策的功能。

人工智能技术是一门综合学科，涉及领域广泛，既有硬件层面的技术也有软件层面的技术。人工智能基础技术一般包括如传感器、专用人工智能芯片、云计算、分布式存储、大数据处理技术、操作/交互系统、机电一体化等技术。人工智能软件技术主要包括计算机视觉技术、语音处理技术、自然语言处理技术以及机器学习/深度学习、机器人技术等几大方向。

机器人是自动控制机器(robot)的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械(如机器狗，机器猫等)。在当代工业中，机器人可以指能自动执行任务的人造机器装置，用以取代或协助人类工作。

本申请实施例还提供了一种机器人，该机器人可以包括执行机构、驱动装置、检测装置、控制系统和复杂机械等组成部分。机器人外表面的局部区域或全部区域可以覆盖有模仿人或动物的皮肤的材料，称为机器人皮肤。

在一些实施例中，机器人皮肤由薄膜压阻材料制成，具有压力感应的作用，是机器人的检测装置的组成部分。当压强作用在机器人皮肤上时，机器人皮肤受压部分的阻抗会根据所受压强的变化而变化，机器人皮肤中的电流的大小也随之改变，从而产生电流信号。机器人的控制装置可以获取到电流信号，并根据电流信号生成对应的控制指令，从而控制机器人的动作或其他反应。

在一个示例中，机器人的头部覆盖有由薄膜压阻材料制成的机器人皮肤。当机器人移动时，其头部前方区域的机器人皮肤因受压而产生电流信号，表示机器人的前方存在障碍物，机器人的控制装置可以根据电流信号控制机器人后退，从而避开障碍物。

在另一个示例中，机器人是乒乓球陪练机器人，可以模仿真人进行乒乓球对局。乒乓球陪练机器人的机械臂的末端用于击打乒乓球，机械臂的末端可以覆盖有由薄膜压阻材料制成的机器人皮肤。当机械臂的末端触碰到对面飞来的乒乓球时，可以通过机器人皮肤的压阻变化判断乒乓球的运动参数(如速度大小、速度方向、动能大小等等)，从而控制机器人在回击兵乓球时对兵乓球所施加的力的大小、方向和时间等等。

本申请实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括电子电路，以及附着在电子电路上的薄膜压阻材料，薄膜压阻材料是采用上述方法制备的薄膜压阻材料。

电子设备是指由集成电路、晶体管、电子管等电子元器件组成，应用电子技术发挥作用的设备，电子设备可以包括电子计算机、智能手机、平板电脑、可穿戴设备、机器人、数控或远程控制系统等。电子电路是指由电子器件和相关电元件组成的电路，电子电路包括放大电路、振荡电路、整流电路、检波电路、调制电路、频率变换电路、波形变换电路等等，电子电路还包括各种控制电路。在具体的电子设备中，电子电路可以是电子设备的主板或其他集成电路板。

应当理解的是，在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。