1.本发明涉及柔性传感器制备技术领域,尤其涉及一种摩擦感应层及其制备方法与触觉传感器。
背景技术:2.常用的触觉传感器包括电容式、压电式、电阻式、电感式、摩擦电式等,其中摩擦电触觉传感器是一种基于新型纳米能源技术,通过摩擦起电和静电感应原理将力学信号转化为电信号的小尺度能量收集与转化器件,具有结构简单、小型轻便、能量转化效率高等特点,在自驱传感和机器人电子皮肤领域有着十分广阔的应用前景。摩擦电传感器由摩擦感应层和电极构成,当摩擦感应层与外界物体接触时,在目标外力作用下与外界物体接触和分离,可以使得摩擦感应层表面产生摩擦电位,在静电感应作用下,通过外接电路实现电信号传输,因此摩擦层表面的结构设计与优化对触觉传感器的感知性能影响巨大。
3.目前,为了增强摩擦电荷的产生,一般利用脱模法制备摩擦感应层,脱模法通常需要选取合适的模具,但模具复杂的制造流程提高了制造成本,降低了制造效率。
4.因此,现有触觉传感器的制备工艺还有待于改进和发展。
技术实现要素:5.鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种摩擦感应层及触觉传感器,旨在解决现有摩擦感应层制备工艺复杂的问题。
6.一种摩擦感应层的制备方法,其中,包括:
7.提供导电层;
8.采用喷射打印增材制造方法在所述导电层表面形成微网状结构,得到所述摩擦感应层。
9.可选地,所述的摩擦感应层的制备方法,其中,所述采用喷射打印增材制造方法在所述导电层表面形成微网状结构,得到所述摩擦感应层,具体包括:
10.将电负性柔性材料注入3d打印机;
11.根据所述微网状结构,规划打印路径;
12.控制所述3d打印机的打印参数,并依据所述打印路径,在所述导电层表面打印出微网状结构,得到所述摩擦感应层;所述打印参数包括:点胶头横向、纵向移动速度、预设电压、点胶时间、间歇时间、喷头抬起时间、撞击时间以及脉冲点数。
13.可选地,所述的摩擦感应层的制备方法,其中,所述电负性柔性材料包括:硅胶、聚二甲基硅氧烷。
14.可选地,所述的摩擦感应层的制备方法,其中,所述电负性柔性材料还包括:纳米金属、聚四氟乙烯(ptfe)微球、碳纳米管、石墨烯和二维材料中的一种或多种。
15.可选地,所述的摩擦感应层的制备方法,其中,所述导电层选自:ito导电玻璃、金属薄膜和导电弹性体中的一种。
16.一种摩擦感应层,其中,包括:导电层和固定在所述导电层表面的微网状结构;
17.所述微网状结构包括:若干凸起和若干连接部,所述若干凸起分布在所述导电层的表面,所述若干连接部分布在所述若干凸起之间,且与所述凸起相连。
18.可选地,所述的摩擦感应层,其中,构成所述若干凸起的材质与构成所述若干连接部的材质相同。
19.可选地,所述的摩擦感应层,其中,在同一方向上,相邻的两个所述凸起的高度大于位于所述两个凸起之间的连接部的高度。
20.可选地,所述的摩擦感应层,其中,所述凸起为半球形凸起。
21.一种触觉传感器,其中,包括上述所述的摩擦感应层。
22.有益效果:与现有技术相比,本发明中摩擦感应层采用喷射打印增材制造方法制备,材料选用柔性高分子材料,适用于轻量化设备,无需模具,可以有效降低成本,大幅提高制造速度。同时,所制备得到的摩擦感应层表面呈现微网结构,有效提高感应层比表面积,强化传感器感知性能。
附图说明
23.图1为微网状结构制备流程示意图,图中圆圈表示液滴;
24.图2为本发明中摩擦感应层结构示意图;
25.图3为采用3d打印的半球及联接液桥结构图,其中,(a)表示三个液滴成形结构示意图,(b)表示四个液滴成形结构示意图,(c)表示五个液滴成形结构示意图。
具体实施方式
26.本发明提供一种摩擦感应层及其制备方法与应用,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
27.一种摩擦感应层的制备方法,所述方法包括:
28.s10、提供导电层;
29.s20、采用喷射打印增材制造方法在所述导电层表面形成微网状结构,得到所述摩擦感应层。
30.具体来说,选用ito导电玻璃的导电层、金属薄膜(铜箔、铝箔等)等作为导电层,用无水乙醇对导电层进行超声波清洗,清洗时长5-20分钟。采用非接触式喷射点胶方法,在所述导电层表面制备出微网状结构,得到摩擦感应层。其中,非接触式喷射点胶所用到的点胶机(3d打印机)为现有的设备。其型号及结构在此不做限定。
31.在本实施例中,利用喷射打印增材制造方法在导电电极表面成形具有微网结构的摩擦感应层,扩展了摩擦感应层比表面积,强化传感器工作过程中摩擦电荷的产生,提高传感器的响应性能。同时,不需要借助复杂的模具,降低了生成成本,由于不需要使用模具,也不需要使用脱模剂,不需要对摩擦感应层的进行清洗。
32.在本实施例中,喷射打印所使用的打印材料包括但不限于硅胶、聚二甲基硅氧烷,或者是掺杂有纳米金属、聚四氟乙烯(ptfe)微球、碳纳米管、石墨烯、二维材料等强化传感材料的硅胶或聚二甲基硅氧烷。
33.在本实施例中,当所用的打印材料是掺杂强化传感材料的硅胶或聚二甲基硅氧烷时,采用离心搅拌设备使多种材料之间混合均匀,并利用高真空抽除内部的气泡,以利于使材料打印均匀。将打印材料注入到3d打印机中,根据所要打印的微网状结构,规划打印路径,控制点胶头横纵向移动速度(200-800mm/s)、喷嘴与基底层之间的高度等打印机参数和预设电压(50-100%)、点胶时间(0.01-50ms)、间歇时间(1-50ms)、喷头抬起时间(0-999us)、撞击时间(0-999us)、脉冲点数(1-100)、打印路径等液滴喷射参数,在导电层表面进行点胶(点胶头喷射出液滴),液滴与液滴之间留有一定的距离,相邻的液滴之间形成液桥(两个液滴在固化之前向外扩散融合,在液滴之间形成所谓的液桥),液滴和液桥相互交联形成内部中空的网状结构。其成形原理为:在使用确定规格的喷头的前提下,预设打印间距使其略微大于打印液滴直径尺寸,喷射打印液滴与基板接触后在流动性的作用下向四周扩张,直径尺寸扩大,并与相邻液滴连接,在表面张力的作用下形成液桥联接,如图2所示为若干个打印基点形成的网状结构。因为是液滴(所谓的凸起),其具有较大的比表面积,同时液桥的外表面也是曲面,相较于平面也具有大的比表面积,整个微网状结构的比表面积较大。有利于提高摩擦感应层表面产生的摩擦电位。
34.通过调整预设电压、点胶时间、脉冲点数等参数,可以调控打印液滴的直径尺寸和高度;通过规划打印路径,可以对喷射液滴之间的液桥尺寸进行控制,进而成形打印阵列,得到整体微网结构,制造流程如图1所示。
35.在本实施例中,采用3d打印具有节省打印材料的优势,同时,因为液滴之间的液桥的高度小于液滴的高度,使得微网状具有梯度差,即液滴的顶部到导电层有一个高度,液桥的顶部距离导电层有一个高度,两个高度之间有一定的落差。使得摩擦感应层能够感知(响应)不同的目标外力,提升了灵敏度。
36.请参阅图2,所述摩擦感应层包括导电层10,固定在所述导电层10上表面的凸起201、连接部202,在所述导电层10的下表面还设置有导电玻璃基底13,所述导电玻璃基底13可以对导电层10进行支撑。由上述形成原理可知,所谓的凸起就是液滴固化形成的,所谓的连接部是液桥固化后形成的。所述凸起为半球状,可以根据设计需要形成不同的微网状结构,结合图3,当按照三角形点胶时,三个液滴形成的结构如图3中的(a)所示,凸起中间留有空隙。同理,按照四边形点胶时,四个液滴形成的结构如图3中的(b)所示,按照五边形点胶时,五个液滴形成的结构如图3中的(c)所示。容易理解的是,上述(a)、(b)、(c)可以视为构成微网状结构基本单元,将这些基本单元进行组合、重排,就可以形成微网状结构。所述液滴的大小、液滴围合形成的空隙的大小可以根据需要进行设置。也即是说,采用本发明所提供的摩擦感应层的制备方法,可以对微网状结构的形状、尺寸进行控制,制备得到出形式多样的摩擦感应层,以满足不同的需求。
37.示例性地,如果需要得到面积想对较大的、且反应灵敏度要求不是那么高的摩擦感应层,可以提供一个尺寸大一些的导电层,在导电层上点胶形成如图3中的(c)所示的结构。反之,则可以采用小尺寸的导电层,在导电层上点胶形成如图3中的(a)所示的结构。
38.基于相同的发明构思,本发明还提供一种触觉传感器,所述触觉传感器包括上述所述的摩擦感应层。由于上述摩擦感应层具有大的比表面积,在相同大小的外力作用下,摩擦感应层表面能够产生相对较高的摩擦电位,从而可以提升触觉传感器的灵敏度。
39.在本实施例中,由于制备摩擦感应层不需要借助复杂的模具,不需要进行脱模操
作,使得摩擦感应的生产加工成本低,从而使该摩擦传感器的生产成本也较低。
40.下面通过具体的制备实施例,来对本发明所提供的摩擦感应层及其制备方法做进一步的解释说明。
41.实施例1
42.选用铜箔为导电层,将铜箔贴敷在玻璃基底层上,用无水乙醇对铜箔的表面进行超声波清洗,清洗时长为10分钟。
43.选用硅胶(液态)作为打印材料,3d打印机采用高精度的非接触式喷射点胶机,采用非接触式喷射点胶方法,控制点胶头横纵向移动速度200mm/s、喷嘴与导电层之间的高度为800-2000um;打印机的预设电压60%-90%、点胶时间为2.0-4.0ms、间歇时间为0.1-1ms,喷头抬起时间为0.1-1us,撞击时间为50-200us,脉冲点数为30-50,打印路径为(三个液滴形成结构为基础单元),打印形成阵列,得到摩擦感应层。
44.实施例2
45.选用导电玻璃,用无水乙醇对导电玻璃导电层的表面进行超声波清洗,清洗时长为15分钟。
46.选用掺杂碳纳米管的硅胶(液态)作为打印材料,采用离心搅拌设备进行分散,并利用高真空抽除内部气泡。3d打印机采用高精度的非接触式喷射点胶机,采用非接触式喷射点胶方法,控制点胶头横纵向移动速度600mm/s、喷嘴与导电层之间的高度为800-2000um;打印机的预设电压70%-90%、点胶时间为2.0-6.0ms、间歇时间为0.1-1ms,喷头抬起时间为0.1-1ms,撞击时间为50-200us,脉冲点数为20-45,打印路径为(四个液滴形成结构为基础单元),打印形成阵列,得到摩擦感应层。
47.实施例3
48.选用导电弹性体为导电层,用无水乙醇对导电弹性体的表面进行超声波清洗,清洗时长为10分钟。
49.选用聚二甲基硅氧烷(pdms)作为打印材料,3d打印机采用高精度的非接触式喷射点胶机,采用非接触式喷射点胶方法,控制点胶头横纵向移动速度200mm/s、喷嘴与导电层之间的高度为800-2000um;打印机的预设电压65%-95%、点胶时间为2.5-6.0ms、间歇时间为0.1-1ms,喷头抬起时间为0.1-1s,撞击时间为50-500us,脉冲点数为30-60,打印路径为(三个液滴形成结构为基础单元),打印形成阵列,得到摩擦感应层。
50.实施例4
51.选用导电玻璃,用无水乙醇对导电玻璃导电层的表面进行超声波清洗,清洗时长为20分钟。
52.选用掺杂碳纳米管、聚四氟乙烯(ptfe)微球的聚二甲基硅氧烷(pdms)作为打印材料,采用离心搅拌设备进行分散,并利用高真空抽除内部气泡。3d打印机采用高精度的非接触式喷射点胶机,采用非接触式喷射点胶方法,控制点胶头横纵向移动速度600mm/s、喷嘴与导电层之间的高度为800-2000um;打印机的预设电压75%-95%、点胶时间为2.5-6.0ms、间歇时间为0.1-1ms,喷头抬起时间为0.1-1ms,撞击时间为30-200us,脉冲点数为20-60,打印路径为(四个液滴形成结构为基础单元),打印形成阵列,得到摩擦感应层。
53.实施例5
54.选用导电玻璃,用无水乙醇对导电玻璃导电层的表面进行超声波清洗,清洗时长
为20分钟。
55.选用掺杂碳纳米管、聚四氟乙烯(ptfe)微球的聚二甲基硅氧烷(pdms)作为打印材料,采用离心搅拌设备进行分散,并利用高真空抽除内部气泡。3d打印机采用高精度的非接触式喷射点胶机,采用非接触式喷射点胶方法,控制点胶头横纵向移动速度800mm/s、喷嘴与导电层之间的高度为800-2000um;打印机的预设电压75%-95%、点胶时间为2.5-6.0ms、间歇时间为0.1-1ms,喷头抬起时间为0.1-1ms,撞击时间为30-200us,脉冲点数为20-60,打印路径为(五个液滴形成结构为基础单元),打印形成阵列,得到摩擦感应层。
56.实施例6
57.选用导电玻璃,用无水乙醇对导电玻璃导电层的表面进行超声波清洗,清洗时长为20分钟。
58.选用掺杂碳纳米管、聚四氟乙烯(ptfe)微球、石墨烯的聚二甲基硅氧烷(pdms)作为打印材料,采用离心搅拌设备进行分散,并利用高真空抽除内部气泡。3d打印机采用高精度的非接触式喷射点胶机,采用非接触式喷射点胶方法,控制点胶头横纵向移动速度600mm/s、喷嘴与导电层之间的高度为800-2000um;打印机的预设电压70%-90%、点胶时间为3.0-6.5ms、间歇时间为0.1-1ms,喷头抬起时间为0.1-1ms,撞击时间为20-240us,脉冲点数为10-40,打印路径为(五个液滴形成结构为基础单元),打印形成阵列,得到摩擦感应层。
59.应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
技术特征:1.一种摩擦感应层的制备方法,其特征在于,包括:提供导电层;采用喷射打印增材制造方法在所述导电层表面形成微网状结构,得到所述摩擦感应层。2.根据权利要求1所述的摩擦感应层的制备方法,其特征在于,所述采用喷射打印增材制造方法在所述导电层表面形成微网状结构,得到所述摩擦感应层,具体包括:将电负性柔性材料注入3d打印机;根据所述微网状结构,规划打印路径;控制所述3d打印机的打印参数,并依据所述打印路径,在所述导电层表面打印出微网状结构,得到所述摩擦感应层;所述打印参数包括:点胶头横向、纵向移动速度、预设电压、点胶时间、间歇时间、喷头抬起时间、撞击时间以及脉冲点数。3.根据权利要求2所述的摩擦感应层的制备方法,其特征在于,所述电负性柔性材料包括:硅胶、聚二甲基硅氧烷。4.根据权利要求2所述的摩擦感应层的制备方法,其特征在于,所述电负性柔性材料还包括:纳米金属、聚四氟乙烯(ptfe)微球、碳纳米管、石墨烯和二维材料中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的摩擦感应层的制备方法,其特征在于,所述导电层选自:ito导电玻璃、金属薄膜和导电弹性体中的一种。6.一种采用权利要求1-5任一所述的制备方法制备得到的摩擦感应层,其特征在于,包括:导电层和固定在所述导电层表面的微网状结构;所述微网状结构包括:若干凸起和若干连接部,所述若干凸起分布在所述导电层的表面,所述若干连接部分布在所述若干凸起之间,且与所述凸起相连。7.根据权利要求6所述的摩擦感应层,其特征在于,构成所述若干凸起的材质与构成所述若干连接部的材质相同。8.根据权利要求6所述的摩擦感应层,其特征在于,在同一方向上,相邻的两个所述凸起的高度大于位于所述两个凸起之间的连接部的高度。9.根据权利要求6所述的摩擦感应层,其特征在于,所述凸起为半球形凸起。10.一种触觉传感器,其特征在于,包括权利要求6-9任一所述的摩擦感应层。
技术总结本发明公开了一种摩擦感应层及其制备方法与触觉传感器,其中,所述方法包括:提供导电层;采用喷射打印增材制造方法在所述导电层表面形成微网状结构,得到所述摩擦感应层。本发明中摩擦感应层采用喷射打印增材制造方法制备,材料选用柔性高分子材料,适用于轻量化设备,无需模具,可以有效降低成本,大幅提高制造速度。同时,所制备得到的摩擦感应层表面呈现微网结构,有效提高感应层比表面积,强化传感器感知性能。器感知性能。器感知性能。
技术研发人员:李辉 董潇然 伍晓宇 汤勇 李长根
受保护的技术使用者:深圳大学
技术研发日:2022.06.22
技术公布日:2022/11/1