一种面向多位置压力反馈的非对称传感器及其制备方法和系统

本发明属于传感器，涉及一种面向多位置压力探测的非对称传感器及其制备方法和系统。

背景技术：

1、随着人们对触觉传感技术需求的不断增长，能够同时探测压力位置和强度的柔性传感器在电子皮肤、人机交互和个性化健康监测等领域备受关注。目前，大部分电子设备均是利用集成了多个单元的传感器阵列来实现对压力的定位和强度探测。通常，大多数压力传感器都是基于电信号实现检测的，每个传感单元需要两个电极来检测其输出信号，如电阻、电容或电压等。对于m×n(m，行数；n，列数)的传感阵列，除了复杂的内部单元连接电路以外，还应提供数量为m×n×2个外部电极，以形成基本的多通道电路读数系统。对于柔性电子设备而言，如此复杂繁琐的测试电路在实际应用当中是极不便利的。

2、目前，通过共用电极的策略连接多个传感单元可以将阵列中的电极数量减少到m×n+1或m+n。[y.zhang,q.lu,j.he,z.huo,r.zhou,x.han,m.jia,c.pan,z.l.wang,j.zhai,nat.commun.2023,14,1252.；w.cao,y.luo,y.dai,x.wang,k.wu,h.lin,k.rui,j.zhu,acsappl.mater.interfaces 2023,15,3131.]然而，对于具有更多传感单元的阵列，共用电极策略在降低电路布局的复杂性方面效果依然不理想，且传感单元之间较差的鲁棒性会限制多位置压力探测的准确性。

3、迄今为止，通过使用更为简化的电路和传感器结构来实现精确的压力定位和强度探测仍然是一项重大的技术挑战。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种面向多位置压力反馈的非对称传感器及其制备方法和系统。

2、本发明采用如下技术方案为：

3、一种面向多位置压力反馈的非对称传感器，所述的非对称传感器包括：位于底部的柔性非对称导电层、中部的柔性绝缘层和顶部的柔性导电层，依次叠加组合形成的三明治类型结构；所述的柔性非对称导电层设有两条电极引线，所述的柔性导电层设有一条电极引线。

4、进一步的，所述柔性导电层为具有压阻效应的掺杂导电填料的柔性基体；所述导电填料包括但不限于碳基纳米材料、导电高分子聚合物、过渡金属碳化物和液态金属等导电材料；所述柔性基体包括但不限于聚二甲基硅氧烷、橡胶、水凝胶和织物等软质可压缩材料。

5、进一步的，所述的绝缘层包括但不限于聚二甲基硅氧烷、橡胶、水凝胶和织物等软质可压缩材料，绝缘层与柔性导电层的柔性基体材质可相同也可不同。

6、进一步的，所述的柔性导电层和绝缘层尺寸在1×1cm2～10×10cm2之间，可根据实际应用场景自由选择调控。

7、进一步的，所述的柔性非对称导电层与柔性导电层的材质可相同也可不同。柔性非对称导电层沿垂直方向上的投影形状为不对称图形，其上设有开口结构，所述开口形状包括但不限于以三角形、四边形、五边形或其他多变形、和圆形。

8、进一步的，所述的叠加组合目的在于固定三种柔性层之间的相对位置，所述固定方法包括但不限于热压法、粘附法和缝合法。

9、一种面向多位置压力反馈的非对称传感器的制备方法，包括以下步骤：

10、步骤1：将导电填料填充到柔性基体表面或者内部，得到柔性导电层；所述的柔性导电层中，导电填料的添加量应高于该填料在基体中的渗流阈值，以使其具有导电性。

11、步骤2：对步骤1得到的柔性导电层切割出开口形状，得到柔性非对称导电层；

12、步骤3：依次将柔性非对称导电层、柔性绝缘层和柔性导电层固定连接在一起。在柔性导电非对称层引出两条电极引线，在柔性导电层引出一条电极引线。所述的电极引线与柔性非对称导电层、柔性导电层之间通过导电银胶进行固定，即可得到所述非对称传感器。

13、位于顶部柔性导电层的电极引线与位于底部柔性非对称导电层中的任意一条电极引线用于测试整个传感器的电容信号。位于底部柔性非对称导电层的两条电极引线用于测试非对称织物的电阻信号。同时用于测试电容信号与电阻信号的一条引线为共用电极。电容信号和电阻信号之间是相互独立的。

14、进一步的，所述的步骤1中将导电填料填充到柔性基体表面或者内部的方法：首先配置导电材料分散液，通过滴涂法、混合搅拌法、浸泡法或旋涂法将导电材料引入柔性基体表面或者内部。将导电材料加入溶剂中得到导电材料分散液，所述的溶剂包括但不限于去离子水、酒精等易挥发液体中的一种，所述导电填料包括但不限于碳基纳米材料、导电高分子聚合物、过渡金属碳化物中的一种或多种组合，所述的导电材料分散液中导电材料的浓度为2～10mg/ml，优选为3～5mg/ml。

15、一种面向多位置压力反馈的非对称传感器系统，所述的非对称传感器系统包括信号采集模块、压力反馈模块和上述方法制备得到的非对称传感器。所述信号采集模块包括电阻信号采集单元和电容信号采集单元。所述压力反馈模块包括与信号采集模块连通的特征提取单元和基于机器学习的压力位置及强度反馈单元，其中，压力位置及强度反馈单元与特征提取单元通信。实现过程具体为：

16、第一步，将电阻信号采集单元的两个接收端口与位于传感器底部的非对称导电层引出的两条电极引线相连接；将电容信号采集单元的两个接收端口分别与位于传感器顶部的柔性导电层引出的一条电极引线和非对称导电层引出的其中一条电极引线相连接。所述信号采集单元均与计算机进行连接通信实现电阻和电容信号的实时采集。

17、第二步，利用特征提取单元对所述信号采集单元传输到计算机的电容和电阻信号进行归一化处理，并提取施压状态时的电容和电阻信号峰值。

18、第三步，经所述信号采集模块和特征提取单元输出的电容和电阻信号变化峰值被首先输入到训练好的神经网络分类模型用于预测压力位置，预测后的压力位置作为第三个特征变量与电容和电阻信号变化峰值一起被输入到训练好的神经网络回归模型用于预测压力强度。预测的压力位置及强度以可视化形式呈现在计算机上。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

20、(1)本发明通过简单的制备工艺构筑一体集成式非对称传感器成功替代了传统的多单元传感器阵列用于压力位置和强度探测，有效解决了多个传感单元之间存在的复杂电路和低鲁棒性问题。

21、(2)本发明基于非对称结构的几何特性在传感器的不同区域实现了不同的压力电容和压力电阻响应。

22、(3)本发明仅利用3条电极引线同时结合机器学习算法实现了精确的多位置压力探测。

技术特征：

1.一种面向多位置压力反馈的非对称传感器，其特征在于，所述的非对称传感器包括：位于底部的柔性非对称导电层、中部的柔性绝缘层和顶部的柔性导电层，依次叠加组合形成的三明治类型结构；所述的柔性非对称导电层设有两条电极引线，所述的柔性导电层设有一条电极引线。

2.根据权利要求1所述的一种面向多位置压力反馈的非对称传感器，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种面向多位置压力反馈的非对称传感器，其特征在于，所述开口形状包括但不限于三角形，四边形，五边形，或其他多变形，圆形。

4.根据权利要求2所述的一种面向多位置压力反馈的非对称传感器，其特征在于，所述的叠加组合目的在于固定三种柔性层之间的相对位置，其中固定方法包括但不限于热压法、粘附法、缝合法。

5.一种权利要求1-4任一所述的面向多位置压力反馈的非对称传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种面向多位置压力反馈的非对称传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中将导电填料填充到柔性基体表面或者内部的方法为：首先将导电材料加入易挥发溶剂中配置得到导电材料分散液，其中导电材料的浓度为2～10mg/ml，然后再通过滴涂法、混合搅拌法、浸泡法或旋涂法将导电材料引入柔性基体表面或者内部。

7.根据权利要求6所述的一种面向多位置压力反馈的非对称传感器的制备方法，其特征在于，所述的导电材料分散液中的溶剂包括但不限于去离子水、酒精或其他易挥发液体中的一种。

8.一种面向多位置压力反馈的非对称传感器系统，其特征在于，所述的非对称传感器系统包括信号采集模块、压力反馈模块和采用权利要求1-4任一所述的非对称传感器；所述信号采集模块包括电阻信号采集单元和电容信号采集单元；所述压力反馈模块包括与信号采集模块连通的特征提取单元和基于机器学习的压力位置及强度反馈单元，其中，压力位置及强度反馈单元与特征提取单元通信；实现过程具体为：

技术总结本发明属于传感器技术领域，提供一种面向多位置压力反馈的非对称传感器及其制备方法和系统。所述非对称传感器包括柔性非对称导电层、柔性绝缘层和柔性导电层依次叠加形成的三明治类型结构；所述导电非对称层设有两条电极引线，所述导电层设有一条电极引线。非对称传感器系统包括信号采集模块、压力反馈模块和非对称传感器。本发明基于非对称结构的特殊性，使得传感器的不同区域具有不同的压容和压阻灵敏度，并结合机器学习算法对两种独立信号的分析，仅利用三条外部电极实现了精确的多位置压力探测及反馈。技术研发人员：潘路军,袁廷康,李成伟受保护的技术使用者：大连理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20