一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器及其制备方法

本发明属于柔性传感领域，具体涉及到一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、在过去的十年中，人们发现了一种全新的压力和触觉传感方式，并将其称为界面超电容传感或离子电子传感。这种传感方式利用电解质-电子测量界面的双电层电容效应(edl)来提升传感器的灵敏度与高抗噪声性能。双电层电容是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器，其基本原理是当向电极充电时，处于理想极化状态的电极表面的电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层电容由于两电荷层的距离非常小，再加之采用特殊电极结构，因此电极表面积急剧增加，从而产生极大的电容量。

2、常见的离子电子传感材料有1-乙基-3-甲基咪唑(emmi)、1-丁基-3-甲基咪唑(bmmi)等。最早的离子电容传感器是在2011年提出的，研发出的电容传感器展现出超高单位面积电容，在sub-mhz频率中约为几个μf cm-2，是传统平行板电容传感器的1000倍以上，但只通过离子液体提升传感器的灵敏度还不能满足人们使用的需求。近十年来随着科学家不断的科技探索和实验研究，人们发现设计具有微结构的介电层并配合离子电子传感技术在提高电容式传感器的灵敏度方面有着巨大的潜力。

3、目前，离子电子传感技术已被应用于环境交互、健康监测和运动识别等场所，具有巨大的发展潜力和应用价值，有望在未来应用于人机交互和医学/医疗等领域。但是，目前大部分基于离子电子技术的传感器是应变传感器，只能检测一维力。而在实际的应用中，大部分施加在传感器上的力是来自空间中的三维力，因此单纯使用应变传感器不能全面的反馈施加在传感器上的空间力的信息。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器及其制备方法，通过制备一种基于溴化1-丁基-3-甲基咪唑[bmmi/br]离子盐、己二胺(hmda)和pvdf-hfp(聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)的复合材料，并以此复合材料为介质层构筑柔性电容式三维力传感器，调控介质层的微结构，使传感器具有更高的灵敏度和力学性能，有图案化设计的电极层，提升极板利用率的同时提供三维应变传感能力。

2、为实现上述技术目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)称量0.5-1.0g的pvdf-hfp溶解于5-15ml的n,n-二甲基甲酰胺(dmf)中，在50-80℃的水浴环境中加热搅拌2-6小时，加入0.1-0.5g的1-丁基-3-甲基咪唑离子盐[bmmi/br]，待离子盐完全溶解之后滴加0.01g的己二胺(hmda)，继续加热搅拌6-12小时。随后将溶液倒入含有棱锥凹模的模具中，并放入50-80℃的烘箱内烘干。制备具有微结构的离子盐[bmmi/br]、己二胺(hmda)和pvdf-hfp的复合材料介质层；

5、(2)所述图案化设计电极层由紫外激光切割导电铜箔胶带，再将所述导电铜箔电极通过聚酰亚胺薄膜转印；

6、(3)将制备得到的有微结构的离子盐[bmmi/br]、己二胺(hmda)和pvdf-hfp的复合材料介质层置于两个所述图案化设计电极层之间，使用ecoflex连接顶部电极和底部电极，使用ecoflex封装柔性电容式三维力传感器，得到以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器。

7、进一步的，所述的两个有图案化设计的电极层相向贴合，提升极板的利用率，提供三维应变传感能力。

8、进一步的，所述聚酰亚胺薄膜厚度为0.05mm。

9、进一步的，所述步骤(1)中的[bmmi/br]离子盐的质量分数为28-32％，交联剂己二胺(hmda)的质量分数为0.5-1.5％。

10、进一步的，所述步骤(2)图案化设计电极，其上电极由一个6×6mm的正方形电极组成，底部电极由4个4×4mm的正方形电极组成，每两个正方形电极的中心距离为6mm。

11、进一步的，介质层中微结构和离子液体的双电层效应，可以很大程度地提升传感器对正向力的检测灵敏度。

12、进一步的，上述所制的传感器可用于粗糙度检测、机械手抓取和识别物体、机械手对三维力的检测。

13、有益效果

14、1、电极层由聚酰亚胺薄膜转印激光切割的导电铜箔制成，采用了简化流程的转印技术，提高了制作效率。

15、2、上下电极层的图案化设计提高极板利用率，同时提供三维应变传感能力。

16、3、介质层基于一种溴化1-丁基-3-甲基咪唑[bmmi/br]离子盐、己二胺(hmda)和pvdf-hfp(聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)的复合材料制备，提高了传感器的传感性能和力学性能。

17、4、通过模具浇铸具有微结构的介质层，提高传感器的力学性能和灵敏度。

18、5、传感器以溴化1-丁基-3-甲基咪唑[bmmi/br]离子盐、己二胺(hmda)和pvdf-hfp(聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)的复合材料作为介质层，所述传感器工作方式为离子传感，其基本原理是当向电极充电时，处于理想极化状态的电极表面的电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小，再加之采用特殊电极结构，因此电极表面积急剧增加，从而产生极大的电容量，使相对电容的变化增大。因此相对于以pvdf作为介质层制作的传感器，以溴化1-丁基-3-甲基咪唑[bmmi/br]离子盐、己二胺(hmda)和pvdf-hfp(聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)的复合材料作为介质层制作的传感器具有更高的灵敏度和力学性能。

技术特征：

1.一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器，其特征在于：所述柔性电容式三维力传感器包含两个电极层，复合材料介质层，所述电极层由ecoflex连接，所述柔性电容式三维力传感器由ecoflex封装。

2.根据权利要求1所述的一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器，其特征在于：所述的电极层为两个由聚酰亚胺薄膜转印有图案化设计的铜胶带的电极层，所述介质层为具有微结构的离子盐[bmmi/br]、己二胺(hmda)和pvdf-hfp的复合材料介质层，所述介质层位于两个电极层之间。

3.一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器，其特征在于：所述的电极层图案设计相向贴合。

4.一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器的制备方法，其特征在于：所述聚酰亚胺薄膜厚度为0.05mm。

6.根据权利要求4所述的一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤①中的[bmmi/br]离子盐的质量分数为28-32％，交联剂己二胺(hmda)的质量分数为0.5-1.5％。

7.根据权利要求4所述的一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤②图案化设计电极，其上电极由一个6×6mm的正方形电极组成，底部电极由4个4×4mm的正方形电极组成，每两个正方形电极的中心距离为6mm。

8.根据权利要求1所述的一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器，其特征在于：传感器用于粗糙度检测、机械手抓取和识别物体、机械手对三维力的检测。

技术总结
本发明公开了一种以复合材料为介质层构筑的柔性电容式三维力传感器及其制备方法。该传感器包括两个由聚酰亚胺薄膜转印有图案化设计的铜胶带的电极层以及基于溴化1‑丁基‑3‑甲基咪唑[BMMI/Br]离子盐、己二胺(HMDA)和PVDF‑HFP(聚偏氟乙烯‑六氟丙烯共聚物)的复合材料的介质层，电极层由Ecoflex连接。本发明的电容式三维力传感器利用介质层的微结构和双电层电容效应提升传感器的法向灵敏度，表现出良好的迟滞性和稳定性，同时该传感器可以实现柔性电容式三维力传感器在物体的粗糙度检测、机械手抓取和识别物体、机械手对三维力的检测等方面的应用。

技术研发人员：刘爱萍,程琳,吕子寒,钱程楠,吴化平,王文航,王鑫银
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13