1.本发明属于压阻式传感器技术领域，具体涉及一种线性压阻式触觉传感器及其制备方法。
背景技术：
2.压力触觉传感器可以贴附在不规则的表面，用以感知或监测外界压力的变化。因其优异的压力传感性能和良好的柔韧性，在电子皮肤、医疗诊断、智能假肢、人机接口与运动行为监测等方面发挥着重要作用，成为当前电子材料与器件主要研究热点之一。压阻式触觉传感器具有器件结构简单、制备成本低、信号处理容易等特点，是目前应用范围最广泛的柔性触觉传感器。具有代表性的压阻式触觉传感器通过两个导电表面之间的接触电阻的变化来检测压力。为了改善压阻触觉传感器性能，利用微结构导电弹性体是最典型的方法。其中微结构主要包含常见的波浪形，金字塔以及微柱等单一微结构，仿生微结构，泡沫多孔微结构以及分层多级微结构。
3.专利cn113670487a（申请日期为2021年07月14日，公开日期为2021年11月19日）公开了一种基于仿生多级结构复合柔性压阻传感器，所述基于仿生多级结构复合柔性压阻传感器包括三明治结构的互锁多级微结构柔性电极和中间pani/pvdf复合导电纤维膜，pani/pvdf复合导电纤维膜包括亲水改性pvdf纳米纤维膜和pani纳米线层。具有仿生玫瑰花瓣表面微结构的pdms膜制备过程为：玫瑰花瓣于水中清洗干净并于40℃～50℃中烘干1.5～3小时，待用；配置pva溶液；将配置的pva溶液流延于玫瑰花瓣面，室温下烘干9～11小时，然后去除玫瑰花瓣后得到反玫瑰花瓣微结构的pva膜；配置pdms溶液；将配置的pdms溶液旋涂在得到的玫瑰花瓣微结构的pva膜上，于50℃～70℃下进行固化22～25小时，然后于80℃～100℃水浴下溶解1～3小时去除pva后，得到具有仿生玫瑰花瓣表面微结构的pdms膜。该传感器稳定性好，在灵敏度高，但还是存在以下问题：1）整个制备过程耗时久且需要溶解掉模板，经济效应差。2）传感器在0-1kpa灵敏度高，但1-5kpa灵敏度较低，由此可见线性范围小。
4.专利cn113237580a（申请日期为2021年05月19日，公开日期为2021年08月10日）公开了一种mxene的高灵敏度压阻传感器，包括导电材料、柔性下电极层和柔性敏感层，柔性下电极层采用以下方法制备：将下电极层掩模版固定在柔性敏感层上，然后放置在加热台上，加热台温度设置在50~90℃，并将mxene胶体溶液均匀的喷涂在其表面，待下电极层每1厘米线阻低于5ω时，将下电极层掩模版揭下，得到mxene柔性下电极层；柔性敏感层采用以下方法制备：以砂纸为模板，在纱纸的粗糙表面浇铸pu，待pu自然晾干后，将其从砂纸表面剥离下来即可得到具有表面微结构的柔性敏感层；然后将其放置加热台上，在其微结构表面均匀的喷涂mxene胶体溶液，直至其表面每1厘米的线阻为5~30ω之间，即可得到具有表面微结构的mxene@pu敏感层。该传感器在0.2358pa~5.7715kpa范围内灵敏度高达10213kpa-1
,但同时也存在以下问题：1）提高了灵敏度，但是测量范围较小，导致线性度的范围也较小，2）制备柔性敏感层和柔性下电极层时喷涂mxene溶液都对其线阻具有一定的要求，不易掌握。
5.专利cn112213004b（申请日期为2021年10月12日，公开日期为2022年02月08日）公开了一种基于梯度弹性模量的大响应范围、高灵敏触觉传感器，由封装层、柔性衬底/电极、梯度孔结构压力感知层构成，柔性衬底/电极通过在柔性衬底上蒸镀ito薄膜制成，梯度孔结构压力感知层由梯度孔结构聚合物材料和导电材料组成，梯度孔结构聚合物材料通过蒸汽法制备，制备温度为120-250℃，优选150-200℃，保温时间为8-20min，优选10-15min，聚合物材料为pdms，梯度孔压结构阻层通过将导电材料以渗透填充方式均匀分散于梯度孔结构聚合物实现制备，导电填料为碳纳米管，将梯度孔结构压力感知层经过氧等离子处理之后，压在上、下柔性衬底/电极之间，采用pdms进行封装。该传感器在大响应范围内始终保持着高灵敏度、快速响应时间的能力。但同时存在以下问题：1）大范围内并非单一的线性，而是分段线性，2）制备工艺要求严格。
6.因此，目前需要一种方法来制备压阻触觉传感器，要求制作工艺简单的同时又可以保证传感器在较大范围内保持良好的线性度和灵敏度。
技术实现要素：
7.本发明的目的在于提供一种线性压阻式触觉传感器及其制备方法，该传感器具有良好的线性响应和灵敏度，且制备工艺简单，制造成本低。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种线性压阻式触觉传感器，包括至少一个触觉传感单元，所述触觉传感单元包括压力感知层与下电极层，所述下电极层包括以叉指方式并列分布的电极a和电极b；所述压力感知层由凸起结构朝下的pdms凸起和覆盖在pdms凸起表面上的pdms/mwcnts复合材料组成，所述压力感知层的上表面为平面，下表面分布有至少一个凸起；所述凸起为带顶圆角的圆锥结构，其顶点与所述下电极层接触；所述压力感知层受压时，所述凸起产生形变，导致凸起与下电极层接触面积发生线性改变。
9.进一步地，所述pdms/mwcnts复合材料由pmds掺入6%-10%的mwcnts导电颗粒制备得到。
10.进一步地，所述下电极层通过丝网印刷的方式将电极a和电极b印刷在柔性衬底上制得。
11.进一步地，所述柔性衬底为pet或pi。
12.进一步地，所述凸起的凸出程度为微米量级，顶圆角半径与圆锥基底半径比大于1:10，凸起的高度小于1mm。
13.本发明还提供了所述线性压阻式触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将单组份室温硫化硅橡胶涂覆在包括多个带顶圆角的圆锥结构凸起的树脂模具中常温固化，将固化后的硅橡胶从树脂模具中剥离，即制得硅橡胶模具；步骤2、将pdms加入溶剂中，磁力搅拌1h；将mwcnts导电颗粒加入溶剂中，使用超声波分散仪分散1h；步骤3、将步骤2得到的两份溶液混合，使用超声波分散仪分散15min；将分散后的溶液放在加热平台上，在70℃恒温下加热至溶剂完全挥发，然后加入pdms固化剂，搅拌15min，得到pdms/mwcnts复合材料；步骤4、取设定质量的pdms和pdms固化剂混合，搅拌15min，放入真空干燥箱中真空处理30min至气泡完全消除，得到pdms试剂；
步骤5、将步骤3得到的pdms/mwcnts复合材料涂覆在所述硅橡胶模具上，再涂覆上步骤4得到的pdms试剂，然后放入真空干燥箱中真空处理20min，再在80℃恒温下加热2h固化，得到压力感知层；步骤6、将得到的压力感知层从硅橡胶模具中剥离，将压力感知层放置在下电极层上，并将二者连接在一起，得到所述线性压阻式触觉传感器。
14.进一步地，所述树脂模具采用3d打印制成。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种线性压阻式触觉传感器及其制备方法，相比于传统传感器较低的线性检测范围，该传感器通过带顶圆角的圆锥结构的凸起结构设计，可以保证传感器在较大的测量范围内具有良好的线性响应和不错的灵敏度，适用于喉咙发音、手指弯曲及其它部位的压力信号检测。此外，该传感器的制备工艺简单，制造成本低，对操作环境的要求低，适合于大批量生产。
附图说明
16.图1是本发明实施例的线性压阻式触觉传感器的结构示意图；图2是本发明实施例的线性压阻式触觉传感器的工作原理图；图3是本发明实施例中不同结构的凸起示意图；图4是本发明实施例中不同结构凸起的接触面积与压力变化曲线图；图5是本发明实施例中硅橡胶模具的制备流程示意图；图6是本发明实施例中压力感知层的制备流程示意图；图7是本发明实施例中下电极层的制备流程示意图；图8是本发明实施例中由9个传感器单元构成的传感器阵列示意图；图9是本发明实施例中线性压阻式触觉传感器检测外部压力的结果示意图；图中：1-压力感知层；2-下电极层；3-带有顶圆角圆锥结构的pdms凸起；4-覆盖在凸起上的pdms/mwcnts复合材料；5-电极b；6-pet薄膜；7-电极a；8-带有顶圆角圆锥结构凸起的树脂模具；9-成型中的硅橡胶；10-制造带有顶圆角圆锥结构凸起的压力感知层的硅橡胶模具；11-pdms/mwcnts复合材料；12-pdms试剂；13-带有顶圆角圆锥结构凸起的压力感知层；14-印刷用银浆涂料；15-印刷完成的下电极层；16-丝网印刷的pet薄膜衬底；17-传感单元；18-fpc电路板；19-行引出电极；20-行引出电极；21-行引出电极；22-列引出电极；23-列引出电极；24-列引出电极。
具体实施方式
17.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
18.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
19.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
20.图1为本实施例中压阻式触觉传感器单元的结构示意图，图2为本实施例中压阻式触觉传感器的工作原理图。如图1-2所示，压阻式触觉传感器单元由压力感知层1和下电极层2组成，其中压力感知层由带有顶圆角圆锥的pdms凸起3和覆盖在凸起上的pdms/mwcnts复合材料4组成，下电极层由在pet薄膜6上丝印银浆涂料所形成的电极a7和电极b5组成。当压力感知层受压时，凸起产生弹性变形发生压缩，覆盖在凸起上的pdms/mwcnts复合材料与下电极层的接触面积发生变化，导致电阻值发生改变，从而导致流过压力感知层的电流值发生变化，通过测量电流值变化，即可得知压力感知层所受压力的大小。
21.如图3-4所示，本实施例提出的压阻传感器基于接触压阻效应，其相对电流的变化量与接触面积a成正比，只要接触面积a与外界作用力也呈线性关系，则电流值的变化量与外界作用力呈线性关系，利用有限元分析对pdms材料进行仿真，可以发现，顶圆角半径与圆锥半径比为1:10的结构接触面积对作用力的线性响应最佳，而且随着顶圆角半径的增大，线性度变差。所以最终选用凸起为顶圆角半径与圆锥半径比为1:10，圆锥半径为0.8mm的结构。
22.如图5-7所示，本实施例提出的线性压阻式触觉传感器，其制备步骤如下：首先将硅橡胶均匀涂覆在提前打印制成的3d打印树脂模具8上，常温固化后，用镊子将硅橡胶从树脂模具上缓慢剥离，得到硅橡胶模具10。
23.其次，将pdms加入ipa中磁力搅拌1h，同时将mwcnts加入ipa中经过超声分散仪分散1h，将两份分散液混合，再使用超声分散仪分散15min，将分散后的溶液放在加热平台上，70℃恒温加热至ipa溶液完全挥发，加入pdms固化剂，得到pdms/mwcnts复合材料11。随后，取一定质量的pdms和pdms固化剂混合，手动搅拌15min后放入真空干燥箱真空处理30min以消除气泡，得到pdms试剂12。将pdms/mwcnts复合材料均匀涂覆在硅橡胶模具上，再涂覆上pdms试剂，放进真空干燥箱中再进行真空处理20min，然后在80℃恒温加热2h固化，用镊子将其从硅橡胶模具中剥离即制得压力感知层13。
24.之后，选择银浆涂料14在pet薄膜衬底16上进行丝网印刷，放进真空干燥箱中60℃恒温加热1h固化银浆材料，即可制得下电极层15。
25.最后，将压力感知层13放置在下电极层15上，即制得压阻触觉传感器单元。
26.如图8所示，本实施例提出的线性压阻触觉传感器单元，可由至少2个触觉传感器单元17组成传感器阵列，传感器阵列的所有传感器单元具有同一个下电极层；传感器阵列的所有传感器单元的下电极层的电极a按照列顺序连接，并引出作为列检测电极22，23，24；传感器阵列的所有传感单元的下电极层的电极b按照行顺序连接，并引出检测电极19，20，21；其下电极层18由柔性印刷电路制成。
27.如图9所示，本实施例提出的线性压阻传感器通过实验结果证明了传感器在中低压范围（《100kpa）内具有良好的线性度，灵敏度为0.211kpa-1
。
28.与现有技术比较，本实施例提供的线性压阻式触觉传感器具有以下有益效果：1、制作工艺简单，本实施例提出的制造压力感知层的工艺过程简单，所使用的模具由非常成熟且可靠的3d打印技术制成，下电极层由可靠的丝网印刷技术获得，制作过程十分简单，而且成本较低。
29.2、线性度好，本实施例提出的带有顶圆角的圆锥凸起结构，经过有限元仿真分析得出，外界作用力与接触面积的变化是线性关系，则相对电流的变化与外界压力也呈线性
关系，因此，本实施例提出的压阻触觉传感器具有良好的线性度。
30.3、测量范围较大，本实施例的压力感知层具有64个带有顶圆角的圆锥凸起结构，且凸起的高度为0.8mm，有很大的可压缩性，在一定程度上提高了传感器的测量范围。
31.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。