[0001] 本发明属于柔性传感器技术领域，具体涉及一种高分辨柔性触觉传感阵列及其制备方法和应用。

[0002] 触觉传感器可以模拟人体的触觉感知功能，将外界环境刺激转化为电信号，从而进行处理与分析。通过将触觉传感器与假肢、智能机械手、可穿戴式设备等产品进行集成，可以使其获取更为丰富的环境信息并准确的做出反馈，可以大大提升上述设备的智能化程度，丰富它们的使用场景。随着人工智能、物联网等产业的快速发展，触觉传感器作为上述这些产品实现信息化、数字化、智能化的关键部件，成为了各国科技竞争的一项核心关键技术。

[0003] 日常生活中的物体通常具有不规则的曲面，传统刚性传感器受其材质的影响，无法与被测物体紧密贴合，这会对测量精度产生显著的影响，难以适用于机器人电子皮肤、可穿戴设备等应用，因此需要发展可与复杂曲面有良好共形能力的柔性触觉传感器。此外，触觉感知往往是包含丰富接触信息的面感知，这对触觉传感阵列各单元的灵敏度、响应时间、空间分辨率、单元性能一致性提出了极高的要求，然而目前的柔性触觉传感器受制备工艺的限制，难以兼顾上述要求。这是因为在制备高密度阵列柔性触觉传感器的过程中，为了提高传感器的性能，常常需要制备出微米级的三维结构，但是现有的光刻工艺虽然加工精度高、一致性好，但其成本高、速度慢，而且光刻胶会导致环境污染；另一种常用的利用砂纸、食盐、糖、动植物纹理等模板制备的微结构，虽然成本低、速度快，但微结构具有不规则性，难以保证各传感单元之间的一致性和稳定性，且重复性较差，也难以实现批量制备。

[0004] 此外，为使机器人、可穿戴设备等获得与人类相媲美的触觉感知能力，实现高精度图案识别、物体形状识别等任务，需要柔性触觉传感阵列具备高空间分辨率。提高传感器空间分辨率最直接的方式是减小传感单元尺寸，提高阵列密度。但随着阵列密度的提高及传感器阵列数量的增加，一方面，在集成过程中离散的敏感材料单元难以与电极图案批量实现高精度对位集成；另一方面，由于传感器在按压过程中柔性材料会发生变形，导致相邻传感单元会因为形变产生串扰信号，且阵列密度越高串扰效应会越显著。当前商用的柔性触觉传感阵列集成密度低，且受集成工艺的限制，通常使用一整片敏感材料覆盖所有电极图案，或是通过条形敏感材料覆盖一行电极图案，串扰效应明显，导致空间分辨率低，无法满足高精度图案识别、物体形状识别等高难度任务。因此，迫切需要发展新型高密度阵列式柔性触觉传感器的加工与集成工艺，实现高可靠、高分辨、低串扰的柔性触觉传感阵列的稳定制备。

[0060] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

[0061] 实施例1

[0062] 本实施例提供一种高分辨柔性触觉传感阵列，结构包括：

[0063] 下衬底层和上衬底层，所述下衬底层和上衬底层分别位于传感阵列的两侧，所述下衬底层的第二表面和上衬底层的第二表面均设置有微结构阵列；所述下衬底层和上衬底层均为柔性衬底材料，所述柔性衬底材料为有机高分子材料PDMS。

[0064] 下电极层和上电极层，所述下电极层的第一表面和所述下衬底层的第二表面连接，所述上电极层的第一表面与所述上衬底层的第二表面连接；所述下电极层和上电极层呈行列交错设置，用于采集传感层受压后产生的电流变化信号；所述下电极层和上电极层均为Ti/Ag电极层。

[0065] 传感材料层和隔离支撑层，所述传感材料层和所述隔离支撑层位于所述下电极层的第二表面和所述上电极层的第二表面之间，所述传感材料层嵌设于所述隔离支撑层中；所述隔离支撑层为PI；所述传感材料层采用商用导电薄膜材料velostat。

[0066] 所述高灵敏高分辨快速响应柔性触觉传感阵列的制备方法，包括如下步骤：

[0067] (1)柔性微结构电极：

[0068] a、在柔性衬底材料的表面对应电极部位加工制得微结构阵列(如图2所示)，具体操作为：

[0069] ①采用带有离型膜的有机高分子材料PDMS作为柔性触觉传感阵列的衬底，放置于激光器工作台上。绘制电极阵列图案的CAD图纸导入激光器中，用于控制激光器的扫描路径。利用激光将离型膜沿着电极阵列外轮廓的路径进行裁切。保持样品在激光工作台上位置不发生移动，裁切完成后将电极图案部分以外的保护膜撕去，保留电极部分的保护膜，并在此基础上整面粘贴一层带有离型膜的双面胶(3M的1524双面胶)。随后再次利用激光在覆盖有双面胶及保护膜的高分子衬底材料表面裁切电极阵列外轮廓，并撕去电极部分的衬底材料保护膜、双面胶及双面胶离型膜，露出衬底材料，留下剩余部分带有离型膜的双面胶作为后续制备电极的掩膜板。

[0070] ②将①中的带有粘接层及图案化掩膜板的柔性衬底材料置于激光加工台上，保持样品位置不动或通过激光器系统自带的CCD相机重新定位加工位置，控制激光扫描路径，使其沿横、纵阵列式网格扫描路径(如图1a所示)对电极形状中露出的衬底材料进行烧蚀，通过调控网格间距以及激光功率、扫描速度、扫描次数、激光焦距等参数，即可在柔性衬底上制备出具有高度一致性的规则微圆锥阵列结构(如图1b所示)。所述的制备方案中，一种实施例为：采用飞秒激光对PDMS衬底进行烧蚀，设置激光功率为1.75W，扫描次数为25次，扫描速度为400mm/s，横、纵网格间距为30μm，制备所得的微结构实物图与SEM截面图如图2所示。

[0071] b、将衬底上、电极之外的部分保持为不连续，并加工为镂空结构；具体为：

[0072] 将步骤a制备的带有双面胶及微圆锥阵列结构的柔性衬底放置于激光器工作台上，控制激光烧蚀裁切电极间的部分，并去除掉该部分衬底，使得电极间衬底不连续，具体加工方案为：采用飞秒激光对PDMS衬底进行烧蚀，设置激光功率为2W，扫描次数为100次，扫描速度为150mm/s。

[0073] c、将步骤b所得带有掩膜板和镂空结构的柔性衬底放置于磁控溅射样品室，调控磁控溅射的溅射功率、溅射时间、溅射气压等参数，在带有微圆锥结构的柔性衬底上制备图案化金属电极，作为触觉传感阵列的上电极；所述金属电极磁控溅射的具体操作方案为：调整氩气流量直至溅射腔室内气压稳定在2Pa，将Ti靶直流溅射功率设定为50W，溅射时长为10min，该薄层Ti的作用是增加金属电极与柔性PDMS基底间的结合力。随后，将Ag电极靶材溅射功率设置为50W，溅射时长为120min，制备出金属电极，作为触觉传感阵列的上电极；

[0074] d、重复a和c步骤，在微阵列结构上制备图案化金属电极，作为触觉触感阵列的下电极；

[0075] (2)柔性触觉传感阵列的集成：

[0076] e、取压阻复合材料，加工制得传感材料阵列作为传感材料层；具体操作如下：

[0077] 将整片压阻复合材料(商用导电复合薄膜材料velostat)粘贴到具有微弱粘性的转移介质材料PDMS上，利用激光对压阻复合材料按照传感阵列图案进行裁切，裁切完成后撕去不需要的部分，剩下图案化阵列形状的压阻复合材料，即为传感材料层，仍粘在转移介质材料上。

[0078] f、将所述传感层与步骤d所述下电极进行复合，得到复合有传感阵列的下电极；具体操作如下：

[0079] (i)将步骤(1)中制备的下电极衬底上的双面胶离型膜撕去，采用高精度贴片机，将步骤e中粘附在转移介质材料上的压阻复合材料图案(传感层)与下电极图案进行对准贴片。由于双面胶的粘性要大于转移介质材料PDMS的粘性，因此对准并贴合后，撕下转移介质材料，压阻复合材料图案即可保留在下电极上，完成传感材料层与所述下电极的复合，如图6所示。

[0080] (ii)通过飞秒激光裁切有机高分子材料PI作为隔离支撑层，去掉传感材料层所在位置对应的衬底材料。所述隔离支撑层的加工步骤具体如下：

[0081] 取有机高分子材料，对应传感材料层的部位，采用飞秒激光进行裁切，激光功率为2W，扫描次数为200次，扫描速度为200mm/s。

[0082] (iii)将步骤(ii)所得隔离支撑层与步骤(i)所得复合结构进行对准贴片，得到复合有传感材料层和隔离支撑层的下电极；

[0083] g、将所述复合有传感材料层和隔离支撑层的下电极与步骤(c)所得上电极进行对准贴片，使用具有一定重量的物体进行压制并保持一段时间，使下电极、传感材料层、隔离支撑层以及上电极等各层之间的界面达到稳定的粘附状态，即得所述高分辨柔性触觉传感阵列。

[0084] 所得含有镂空结构的柔性触觉传感阵列如图3所示；所述的具有高空间分辨率的传感阵列为4×4阵列如图4所示。将本实施例所得具有镂空结构的柔性触觉传感阵列与现有商用的无镂空结构的传感器进行应力分布仿真结果对比，如图5所示。

[0085] h、将所述的高分辨柔性触觉传感阵列应用于智能机械手抓取物体和高精度盲文识别，结果如图8所示。

[0086] 实施例2

[0087] 本实施例提供一种高分辨柔性触觉传感阵列的制备方法，具体为：

[0088] 采用不含背胶但含有离型膜保护的有机高分子材料PET或PDMS作为柔性触觉传感阵列的上衬底，采用带有背胶和离型膜保护的有机高分子材料PET作为柔性触觉传感阵列的下衬底，控制激光扫描路径，利用激光将离型膜沿着电极阵列外轮廓的路径进行裁切，裁切完成后将电极图案部分的离型膜撕去，留下剩余部分离型膜作为后续制备电极的掩膜板。

[0089] 与实施例1的区别在于：只对上衬底制备微结构，方法同步骤(1)中②。下衬底含有胶层，无需制备微结构。

[0090] 其余步骤均与实施例1相同。

[0091] 本实施例的方案可简化集成步骤，提高传感器集成稳定性，操作流程示意图如图9所示。

[0092] 实施例3

[0093] 本实施例提供一种高分辨柔性触觉传感阵列的制备方法，与实施例1的区别仅在于：所述隔离支撑层的材料为PET；所述的柔性衬底材料为PI；所述的具有高空间分辨率的传感阵列为8×8阵列如图7a所示。

[0094] 实施例4

[0095] 本实施例提供一种高分辨柔性触觉传感阵列的制备方法，与实施例1的区别仅在于：所述隔离支撑层的材料为TPU；所述的柔性衬底材料为PI；所述的具有高空间分辨率的传感阵列为32×8阵列如图7b所示。

[0096] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。