一种压电-摩擦电叠层结构的触觉传感器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种压电-摩擦电叠层结构的触觉传感器及其制备方法 (Touch sensor with piezoelectric-triboelectric laminated structure and preparation method thereof ) 是由 于军胜 吴梦鸽 张大勇 李嘉文 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种压电-摩擦电叠层结构的触觉传感器,从下至上依次包括衬底、电极、压电活性层和摩擦电活性层,压电活性层为锆钛酸铅薄膜,摩擦电活性层为聚二甲基硅氧烷薄膜,锆钛酸铅薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜均为多孔蓬松状；本发明通过多孔蓬松的锆钛酸铅薄膜和多孔蓬松的聚二甲基硅氧烷薄膜分别作为压电活性层和摩擦电活性层,在相同压力下,多孔结构能更有效传递压力,实现更强的电输出功率以及更有效重建触觉信息；通过银纳米线的几何结构的图案化设计以及蓬松多孔的锆钛酸铅薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜,能实现65％的超高拉伸性。(The invention provides a touch sensor with a piezoelectric-triboelectric laminated structure, which sequentially comprises a substrate, an electrode, a piezoelectric active layer and a triboelectric active layer from bottom to top, wherein the piezoelectric active layer is a lead zirconate titanate film, the triboelectric active layer is a polydimethylsiloxane film, and the lead zirconate titanate film and the polydimethylsiloxane film are both porous and fluffy; according to the invention, the porous fluffy lead zirconate titanate film and the porous fluffy polydimethylsiloxane film are respectively used as the piezoelectric active layer and the triboelectric active layer, and under the same pressure, the porous structure can effectively transfer the pressure, so that stronger electric output power and more effective reconstruction of touch information are realized; by the aid of the patterning design of the geometric structure of the silver nanowires and the fluffy and porous lead zirconate titanate film and the polydimethylsiloxane film, 65% ultrahigh stretchability can be realized.)
技术领域
本发明涉及柔性电子器件技术领域，具体而言，涉及一种压电-摩擦电叠层结构的触觉传感器及其制备方法。
背景技术
随着智能终端的普及，柔性电子产品具有广阔的市场前景。触觉传感器是一种新型的电子设备，为机器与周围环境的相互作用提供了可能，是柔性电极迅速发展的新兴领域。众所周知，触摸是人类与环境交互时的主要方式之一。通过触觉，可以将物体的各种属性，如大小、形状、质地、温度等感觉信息传递给中枢神经系统，帮助人类感知周围环境，避免潜在伤害。研究表明，在处理物体的物理特征和形状细节方面，触觉比视觉和听觉更胜一筹，人们之所以能感知到触觉，是因为皮肤中散布着不同类型的触觉感受器。
触觉传感器是实现机器人智能感知和人机交互的核心器件，触觉传感器以信号传导的形式将触觉信号转换为电信号，能实现触觉信息的快速精确传导，在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、服务机器人等领域拥有很大的应用潜力。柔性触觉传感器为感知外界物体提供可靠的信息，如外物的尺寸、形状、纹理等特性，还能提供安全和友好的交互体验，类似于人类皮肤的功能。但是，现有的触觉传感器存在输出性能弱的问题，不能有效的传递触觉形变，从而导致触觉触感效果不佳。
发明内容
本发明提供了一种压电-摩擦电叠层结构的触觉传感器及其制备方法，用以解决现有技术中存在的输出性能弱，不能有效的传递触觉形变，从而导致触觉触感效果不佳的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种压电-摩擦电叠层结构的触觉传感器，从下至上依次包括衬底、电极、压电活性层和摩擦电活性层，压电活性层为锆钛酸铅薄膜，摩擦电活性层为聚二甲基硅氧烷薄膜，锆钛酸铅薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜均为多孔蓬松状。
进一步地，电极由喷涂法喷涂银纳米线制得。
一种压电-摩擦电叠层结构的触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：在处理后的衬底上旋涂聚二甲基硅氧烷，然后进行固化处理；
步骤S2：在步骤S1制得的聚二甲基硅氧烷衬底上喷涂银纳米线作为电极，以钢板作为模具，喷涂出图案化的银纳米线，得到银纳米线电极矩阵；
步骤S3：在干净玻璃衬底上刮涂混合水溶性颗粒的锆钛酸铅作为压电活性层，然后进行固化处理；
步骤S4：将步骤S3得到的固化后的锆钛酸铅薄膜浸泡在加热的去离子水中，溶解水溶性颗粒，得到多孔蓬松的锆钛酸铅薄膜；
步骤S5：在干净玻璃衬底上刮涂混合水溶性颗粒的聚二甲基硅氧烷作为摩擦电活性层，然后进行固化处理；
步骤S6：将步骤S5得到的固化后的聚二甲基硅氧烷薄膜浸泡在加热的去离子水中，溶解水溶性颗粒，得到多孔蓬松的聚二甲基硅氧烷薄膜；
步骤S7：将步骤S2制得的银纳米线电极矩阵、步骤S4制得的锆钛酸铅薄膜和步骤S6制得的聚二甲基硅氧烷薄膜紧密结合。
进一步地，步骤S1具体为：
步骤S11：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对衬底进行超声清洗，然后进行干燥处理和防粘处理；
步骤S12：在处理后的衬底上旋涂聚二甲基硅氧烷作为器件衬底以及与皮肤接触的界面，然后进行固化处理。
进一步地，步骤S12中固化处理采用30:1的固化比。
进一步地，步骤S3具体为：
步骤S31：将锆钛酸铅粉末和聚二甲基硅氧烷溶液混合，研磨得到液态的锆钛酸铅；
步骤S32：将步骤S31得到的锆钛酸铅和可溶性颗粒混合，得到锆钛酸铅前驱体；
步骤S33：在干净玻璃衬底上刮涂锆钛酸铅前驱体作为压电活性层，然后进行固化处理。
进一步地，步骤S5具体为：
步骤S51：将聚二甲基硅氧烷和可溶性颗粒混合，得到聚二甲基硅氧烷前驱体；
步骤S52：在干净玻璃衬底上刮涂聚二甲基硅氧烷前驱体，然后进行固化处理。
进一步地，可溶性颗粒采用氯化钠颗粒或砂糖颗粒。
进一步地，步骤S7具体为：通过热压印法将步骤S2制得的银纳米线电极矩阵、步骤S4制得的锆钛酸铅薄膜和步骤S6制得的聚二甲基硅氧烷薄膜通过范德华力紧密结合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过多孔蓬松的锆钛酸铅薄膜和多孔蓬松的聚二甲基硅氧烷薄膜分别作为压电活性层和摩擦电活性层，在相同压力下，多孔结构能更有效传递压力，实现更强的电输出功率以及更有效重建触觉信息；通过银纳米线的几何结构的图案化设计以及蓬松多孔的锆钛酸铅薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜，能实现65％的超高拉伸性。
(2)本发明引入一种摩擦电纳米发电机和压电纳米发电机串联结构，显著提升触觉触感效果，能100％重现触觉信息。
(3)本发明中锆钛酸铅薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜的制备均采用溶液法，有助于大面积、规模化器件的制备，能够降低生产成本、提高良品率。
(4)本发明中最终制得的器件总厚度约为0.5mm，超薄质轻能满足可穿戴器件的便携性需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中实施例1的银纳米线2*2矩阵结构示意图；
图3为本发明中实施例1的输出电压特性曲线图；
图4为本发明中实施例1的输出电流特性曲线图；
图5为本发明中实施例1的触觉信息重建示意图；
图6为本发明中实施例2的银纳米线8*8高通量的矩阵结构示意图；
图7为本发明中实施例2的输出电压特性曲线图；
图8为本发明中实施例2的输出电流特性曲线图；
图9为本发明中实施例2的触觉信息重建示意图。
其中，附图标记为：
1-衬底；2-电极；3-锆钛酸铅薄膜；4-聚二甲基硅氧烷薄膜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种压电-摩擦电叠层结构的触觉传感器，从下至上依次包括衬底1、电极2、压电活性层和摩擦电活性层，压电活性层为锆钛酸铅薄膜3，摩擦电活性层为聚二甲基硅氧烷薄膜4，锆钛酸铅薄膜3和聚二甲基硅氧烷薄膜4均为多孔蓬松状。
优选地，电极2由喷涂法喷涂银纳米线制得。
一种压电-摩擦电叠层结构的触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：在处理后的衬底1上旋涂聚二甲基硅氧烷，然后进行固化处理；
步骤S2：在步骤S1制得的聚二甲基硅氧烷衬底上喷涂银纳米线作为电极2，以钢板作为模具，喷涂出图案化的银纳米线，得到银纳米线电极矩阵；
步骤S3：在干净玻璃衬底上刮涂混合水溶性颗粒的锆钛酸铅作为压电活性层，然后进行固化处理；
步骤S4：将步骤S3得到的固化后的锆钛酸铅薄膜3浸泡在加热的去离子水中，溶解水溶性颗粒，得到多孔蓬松的锆钛酸铅薄膜3；
步骤S5：在干净玻璃衬底上刮涂混合水溶性颗粒的聚二甲基硅氧烷作为摩擦电活性层，然后进行固化处理；
步骤S6：将步骤S5得到的固化后的聚二甲基硅氧烷薄膜4浸泡在加热的去离子水中，溶解水溶性颗粒，得到多孔蓬松的聚二甲基硅氧烷薄膜4；
步骤S7：将步骤S2制得的银纳米线电极矩阵、步骤S4制得的锆钛酸铅薄膜3和步骤S6制得的聚二甲基硅氧烷薄膜4紧密结合。
优选地，步骤S1具体为：
步骤S11：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对衬底1进行超声清洗，然后进行干燥处理和防粘处理；
步骤S12：在处理后的衬底1上旋涂聚二甲基硅氧烷作为器件衬底以及与皮肤接触的界面，然后进行固化处理。
优选地，步骤S12中固化处理采用30:1的固化比。
优选地，步骤S3具体为：
步骤S31：将锆钛酸铅粉末和聚二甲基硅氧烷溶液混合，研磨得到液态的锆钛酸铅；
步骤S32：将步骤S31得到的锆钛酸铅和可溶性颗粒混合，得到锆钛酸铅前驱体；
步骤S33：在干净玻璃衬底上刮涂锆钛酸铅前驱体作为压电活性层，然后进行固化处理。
优选地，步骤S5具体为：
步骤S51：将聚二甲基硅氧烷和可溶性颗粒混合，得到聚二甲基硅氧烷前驱体；
步骤S52：在干净玻璃衬底上刮涂聚二甲基硅氧烷前驱体，然后进行固化处理。
优选地，可溶性颗粒采用氯化钠颗粒或砂糖颗粒。
优选地，步骤S7具体为：通过热压印法将步骤S2制得的银纳米线电极矩阵、步骤S4制得的锆钛酸铅薄膜3和步骤S6制得的聚二甲基硅氧烷薄膜4通过范德华力紧密结合。
实施例1(作为实施例2的对照组)
如图1至图5所示，触觉传感器器件结构从下至上依次为：
PDMS substrate(0.1μm)/Ag nanowires(200nm)/porous PZT(0.2μm)/porousPDMS(0.2μm)
制备方法步骤如下：
步骤S11：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对衬底1进行超声清洗，然后进行干燥处理和防粘处理；
步骤S12：在干燥处理后的衬底1上旋涂PDMS(固化比为30:1)作为器件衬底以及与皮肤接触界面，然后在90摄氏度下固化处理30分钟；
步骤S2：在PDMS衬底上喷涂银纳米线，以定制的钢板作为模具，可得到图案化的银纳米线，厚度约为200nm，得到银纳米线电极矩阵；
步骤S31：按照质量比10:1的质量比混合PZT粉末和PDMS溶液，研磨得到液态的PZT；
步骤S32：按照2:1的质量比混合PZT前驱体和NaCl颗粒(平均粒径为0.12mm)，即可得到PZT前驱体；
步骤S33：在干净玻璃衬底上刮涂PZT前驱体作为压电活性层，然后在110摄氏度下固化15分钟；
步骤S4：将步骤S33得到平整的PZT薄膜在80摄氏度的去离子水中浸泡24小时，完全溶解PZT薄膜内的NaCl颗粒，得到多孔蓬松的PZT薄膜；
步骤S51：按照质量比2:1的质量比混合PDMS和NaCl颗粒(平均粒径为0.12mm)，即可得到PDMS前驱体；
步骤S52：在干净玻璃衬底上刮涂混PDMS前驱体，然后在110摄氏度下固化15分钟；
步骤S6：PDMS薄膜固化后，在80摄氏度的去离子水中浸泡24小时，完全溶解PDMS薄膜内的NaCl颗粒，得到多孔蓬松的PDMS薄膜；
步骤S71：将步骤S2得到的银纳米线电极矩阵、步骤S4得到的多孔的PZT薄膜在90摄氏度下热压印20分钟，即可通过范德华力结合成一体；
步骤S72：将步骤S71得到的PDMS/Ag/PZT样品和步骤S6得到的多孔的PDMS薄膜，在90摄氏度下热压印20分钟，即可得到最终的器件。
实施例1制备的为器件1(Device 1)。
实施例2
如图1、图6至图9所示，触觉传感器器件结构从下至上依次为：
PDMS substrate(0.1μm)/Ag nanowires(200nm)/porous PZT(0.2μm)/porousPDMS(0.2μm)
制备方法步骤如下：
步骤S11：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对衬底1进行超声清洗，然后进行干燥处理和防粘处理；
步骤S12：在干燥处理后的衬底1上旋涂PDMS(固化比为30:1)作为器件衬底以及与皮肤接触界面，然后在90摄氏度下固化处理30分钟；
步骤S2：在PDMS衬底上喷涂银纳米线，以定制的钢板作为模具，可得到图案化的银纳米线，厚度约为200nm，得到银纳米线电极矩阵；
步骤S31：按照质量比10:1的质量比混合PZT粉末和PDMS溶液，研磨得到液态的PZT；
步骤S32：按照3:2的质量比混合PZT前驱体和NaCl颗粒(平均粒径为0.12mm)，即可得到PZT前驱体；
步骤S33：在干净玻璃衬底上刮涂PZT前驱体作为压电活性层，然后在110摄氏度下固化15分钟；
步骤S4：将步骤S33得到平整的PZT薄膜在80摄氏度的去离子水中浸泡24小时，完全溶解PZT薄膜内的NaCl颗粒，得到多孔蓬松的PZT薄膜；
步骤S51：按照质量比3:2的质量比混合PDMS和NaCl颗粒(平均粒径为0.12mm)，即可得到PDMS前驱体；
步骤S52：在干净玻璃衬底上刮涂混PDMS前驱体，然后在110摄氏度下固化15分钟；
步骤S6：PDMS薄膜固化后，在80摄氏度的去离子水中浸泡24小时，完全溶解PDMS薄膜内的NaCl颗粒，得到多孔蓬松的PDMS薄膜；
步骤S71：将步骤S2得到的银纳米线电极矩阵、步骤S4得到的多孔的PZT薄膜在90摄氏度下热压印20分钟，即可通过范德华力结合成一体；
步骤S72：将步骤S71得到的PDMS/Ag/PZT样品和步骤S6得到的多孔的PDMS薄膜，在90摄氏度下热压印20分钟，即可得到最终的器件。
实施例2制备的为器件2(Device 2)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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