一种仿蝎子栉器的双模态柔性传感器阵列及其制备方法

本发明涉及柔性传感器，尤其涉及一种仿蝎子栉器的双模态柔性传感器阵列及其制备方法。

背景技术：

1、近年来多模态传感器引起了相当大的关注，特别是同时感知压力和气体双模态传感器。尽管有报道称多模态电子皮肤平台已经存在，但除了复杂的制造程序外，多刺激测量还存在灵敏度相对较低、选择性低和串扰等缺点。

2、通常，当双模态传感系统同时检测外部刺激时，可能会发生意外的信号干扰或波动，由于输出信号的失真而降低传感器精度，增加误差和噪声，甚至产生错误的数据，导致系统性能的下降，存在潜在的安全隐患，因此，为了在实际操作环境中实现可靠的信号采集，迫切需要开发具有高灵敏度、选择性和稳定性的无干扰、双模式电子皮肤。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种仿蝎子栉器的双模态柔性传感器阵列及其制备方法，其解决了现有的多模态传感器存在灵敏度相对较低、选择性低和串扰的技术问题。

3、(二)技术方案

4、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

5、第一方面，本发明实施例提供一种仿蝎子栉器的双模态柔性传感器阵列，自上而下包括：

6、仿栉器透气板，由柔性材料制成，包括具备通孔和凸包的透气阵列；

7、气体敏感层，包括对应每一所述透气阵列区域设置的多个用于接触目标气体并产生相应电信号的片区；

8、仿栉器多孔介电层，由柔性材料制成，包括处于用于感知和响应气体信号的第一微结构和第一信号传输通道，且所述仿栉器多孔介电层具备无规则多孔组织；以及，

9、基底，由柔性材料制成，包括用于感知和响应压力信号的第二微结构和第二信号传输通道；

10、其中，所述第一微结构和所述第一信号传输通道同处于第一平面，所述第二微结构和所述第二信号传输通道同处于第二平面，所述第一平面和所述第二平面之间间隔距离不小于所述仿栉器多孔介电层的厚度。

11、可选地，

12、所述仿栉器透气板的上表面交替分布有弧型凹面与平面，所述具备通孔和凸包的透气阵列每隔固定间距设置在所述弧型凹面上；

13、所述仿栉器透气板的下表面为平面；

14、其中，所述仿栉器透气板的上表面为背离所述气体敏感层的侧面；所述仿栉器透气板的下表面为接近所述气体敏感层的侧面。

15、可选地，每一所述片区的大小与对应位置的所述透气阵列的区域大小一致，且所述片区覆盖在所述第一微结构上。

16、可选地，，所述第一微结构和所述第二微结构在所述仿栉器多孔介电层上的投影面积对应。

17、可选地，

18、所述第一微结构包括叉指电极，所述第一信号传输通道包括呈网格设置的导电通路；

19、所述第二微结构包括方形电极，所述第二信号传输通道包括呈网格设置的导电通路。

20、第二方面，本发明实施例提供一种仿蝎子栉器的双模态柔性传感器阵列的制备方法，用于制备如上所述的双模态柔性传感器阵列，包括：

21、通过对预设的具备凸包的基底进行一次倒模制备得到具有凸包反结构的模板，再通过对所述模板进行二次倒模制备得到具有凸包的结构层的基板，最后对所述基板打孔得到具备通孔和凸包的透气阵列；

22、在聚氨酯丙烯酸酯树脂中分别加入一定浓度的[emim]+[tfsi]-形成混合溶液，再通过光刻蚀的方法制得气体敏感层；

23、在弹性体中填充3d模板，随后蚀刻掉所述3d模板制备得到无规则多孔组织，即得到所仿栉器多孔介电层；

24、分别在所述仿栉器多孔介电层和预设的由柔性材料制成的基底上进行金属沉积，在所述仿栉器多孔介电层上得到第一微结构和第一信号传输通道，在所述由柔性材料制成的基底上得到第二微结构和第二信号传输通道。

25、可选地，通过对预设的具备凸包的基底进行一次倒模制备得到具有凸包反结构的模板，再通过对所述模板进行二次倒模制备得到具有凸包的结构层的基板，最后对所述基板打孔得到具备通孔和凸包的透气阵列包括：

26、通过超精密加工设备或者模切技术加工出具备凸包和弧型凹面的基底；

27、通过对具备凸包和弧型凹面的基底进行一次倒模制备出具有弧状和凸包反结构的模板；

28、将pdms溶液和固化剂以10:1的重量比混合，在脱气15～25分钟之后得到弹性体；

29、将所述弹性体倒在所述具有弧状和凸包反结构的模板上，通过二次倒模制备得到具有凸包和弧型凹面的结构层的基板；

30、采用活检打孔器对具有凸包和弧型凹面的结构层的基板进行打孔，得到具备通孔和凸包的透气阵列，进而得到上表面交替分布有弧型凹面与平面，且所述具备通孔和凸包的透气阵列每隔固定间距设置在所述弧型凹面上的所述仿栉器透气板。

31、可选地，在聚氨酯丙烯酸酯树脂中分别加入一定浓度的[emim]+[tfsi]-形成混合溶液，再通过光刻蚀的方法制得气体敏感层包括：

32、根据pua树脂的重量加入20、40、60和80％[emim]+[tfsi]-，得到混合溶液；

33、将混合溶液在70～90℃搅拌12～15小时之后，采用滴注法和紫外光照射法在预处理基板上形成图案化的离子型pua膜，即得到气体敏感层。

34、可选地，在弹性体中填充3d模板，随后蚀刻掉所述3d模板制备得到无规则多孔组织，即得到所仿栉器多孔介电层包括：

35、将pdms溶液和固化剂以10:1的重量比混合，在脱气15～25分钟之后得到弹性体；

36、将所述弹性体倒在3d模板上，再在70～90℃下固化1.5～2.5小时，得到pdms-糖混合物；

37、对pdms-糖混合物进行热处理，以使得pdms-糖混合物的糖部分溶于水中，然后形成无规则多孔组织。

38、可选地，

39、所述第一微结构、所述第一信号传输通道、所述第二微结构以及第二信号传输通道均采用惰性金属材料；

40、所述仿栉器透气板和所述仿栉器多孔介电层均为聚二甲基硅氧烷、全氟乙烯丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氨酯丙烯酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯以及聚醚砜之中的任意一种。

41、(三)有益效果

42、本发明的有益效果是：

43、本发明在气体感知结构部分中借鉴了蝎子栉器感知气体的微结构，其中，仿栉器透气板上表面的通孔、凸包增加了双模态传感器与挥发性气体的接触面积，通孔和凸起能改变气流方向，使气流速度降低，在通孔与凸包间隙形成气流漩涡，从而使携带化学分子的气体与栉器的可能接触面充分接触，加之离子液体与挥发性气体选择的特异性，因此，即使双模态柔性传感器阵列产生一定范围内的形变，气体感知也能表现出高选择性和高灵敏度。

44、本发明在压力感知结构部分中借鉴了蝎子栉器感受器腔体结构，受此启发而设计的仿栉器多孔介电层，其内部的多孔结构增强了变形均匀性，进而提高了传感器的检测阈值、工作范围和线性度，增强了压力感知的性能。

45、同时，本发明还提供一种独创性的多层感知结构设计，将蝎子栉器双峰感受器的功能引入到设计中，即蝎子栉器感受器内的两类细胞分别感知气体和压力两类信号，两者之前不会相互干扰，两类信号传递到相同的神经结构中，其可以感知和响应两类(气体和压力)不同峰值的信号，同时区分信号的类型，以帮助蝎子通过栉器做出更准确的感知和决策，因此本发明得益于优化性的层状结构能够实现分别感知气体和压力信号，同时检测外部刺激，并传递独立的电信号，信号串扰弱。