一种可探测全范围材质物体的柔性可贴合复合式接近传感器
及其应用
技术领域
背景技术
[0002] 接近传感器是一种在不
接触物体的情况下能够探测到物体存在的传感器，该类型的传感器可以防止意外碰撞的发生。接近传感器可以被应用到
机器人或假肢上，使得机器人和障碍物之间保持安全的距离。当机器人接近外部物体时，接近传感器可以帮助机器人感应到物体的存在，使得机器人可以提前采取规避动作，避免意外的发生。
[0003] 最近，受到可穿戴
电子设备和
人工智能发展的刺激，人们对可小型化和柔性设备的兴趣越来越浓厚。在传统的接近传感器例如磁感应、红外、
超声波、电容式、有机
半导体式等中，磁感应、红外、
超声波等接近传感器体积巨大、不具备柔性，限制了他们在可穿戴电子设备方面的应用。根据目前的报道，电容式接近传感器仅仅可以探测导电物体的接近，不能探测到带电绝缘物体的接近；而
有机半导体式接近传感器仅仅可以探测带电物体的接近，不能探测金属导体的接近，这严重限制了两种接近传感器在日常生活中的应用。因此需要对现有传感器进行改进以扩展接近传感器的应用范围。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种可探测全范围材质物体的柔性可贴合复合式接近传感器，利用有机半导体单晶作为敏感层探测带电物体，使带电物体影响单晶中载流子的传输来实现对带电物体的接近探测；利用电容式传感器的探测作为敏感层探测金属导体，使金属导体捕获电容式传感器的探测来实现对金属物体的接近探测。本发明得到的复合式接近传感器，可以很好地贴附在假肢上，能够实现全范围材质物体的接近探测。
[0005] 本发明涉及的“全范围材质物体”指的是人类
手指、生活中无意识带电的物体和生活中常见的金属物体。
[0006] 本发明所提供的柔性可贴合复合式接近传感器的结构如下：
[0008] 所述支撑层内设有内嵌
电极Ⅰ，所述内嵌电极Ⅰ与所述电介质层贴合；
[0009] 所述电介质层内设有2条相对设置的内嵌电极Ⅱ，所述电介质层的表面上于两条所述内嵌电极Ⅱ之间设有有机半导体单晶；
[0010] 一条所述内嵌电极Ⅱ与所述内嵌电极Ⅰ为交叉配合。
[0011] 上述的柔性可贴合复合式接近传感器中，所述有机半导体单晶可为红荧烯单晶(Rubrene)、并五苯单晶或酞菁
酮单晶等。
[0012] 所述红荧烯单晶可由物理气相输运法制备而成，具体条件如下：将红荧烯原料放置在管式炉的高温
升华区，利用高纯氮气作为载气进行生长。洁净的
硅片作为衬底放入结晶区进行晶体生长，生长
温度：310℃，压强：1atm，载气流速：80sccm，生长时间：60min。
[0013] 上述的柔性可贴合复合式接近传感器中，所述支撑层的材质可为聚二甲基硅
氧烷(PDMS)；
[0014] 所述电介质层的材质可为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
[0015] 所述内嵌电极Ⅰ和所述内嵌电极Ⅱ的材质均为金。
[0016] 所述的柔性可贴合复合式接近传感器中，所述支撑层的厚度为200～400μm，所述电介质层的厚度为200～400μm，所述有机半导体层的厚度为100～200nm，所述内嵌电极Ⅰ的厚度为25～35nm，所述内嵌电极Ⅱ的厚度为25～35nm。
[0017] 本发明进一步提供了所述柔性可贴合复合式接近传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0018] 1)在衬底Ⅰ上制备所述内嵌电极Ⅰ，在衬底Ⅱ上制备所述内嵌电极Ⅱ；
[0019] 2)在所述衬底Ⅰ上制备所述支撑层，在所述衬底Ⅱ上制备所述电介质层；
[0020] 3)将所述电介质层从所述衬底Ⅱ上剥离；
[0021] 4)步骤3)得到的所述电介质层和步骤2)得到的所述支撑层分别经氧
等离子体处理后进行贴合，所述内嵌电极Ⅰ与所述电介质层贴合配合，一条所述内嵌电极Ⅱ与所述内嵌电极Ⅰ交叉配合；
[0022] 5)将所述有机半导体单晶转移至所述内嵌电极Ⅱ之间，即得到所述柔性可贴合复合式接近传感器。
[0023] 上述的制备方法中，步骤1)中，采用掩模蒸
镀法制备所述内嵌电极Ⅰ和所述内嵌电极Ⅱ；
[0024] 如采用
真空掩膜蒸镀方法，条件可为：真空度可为10-4Pa，蒸镀速率可为蒸镀所用的靶材为金。
[0025] 上述的制备方法中，所述衬底Ⅰ和所述衬底Ⅱ均为硅衬底；
[0026] 制备所述内嵌电极Ⅰ和所述内嵌电极Ⅱ之前，需要对所述硅衬底进行清洗，依次采用丙酮、
乙醇和
水(二次去离子水)清洗，每次清洗完都要用氮气吹干。
[0027] 上述的制备方法中，步骤1)中，在制备所述内嵌电极Ⅰ和所述内嵌电极Ⅱ之前，清洗步骤之后，需要采用十八烷基三氯硅烷修饰所述硅衬底，以便于
固化后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)剥离；
[0028] 修饰的步骤如下：将硅衬底放在十八烷基三氯硅烷与正庚烷混合溶液中3小时，其中十八烷基三氯硅烷：正庚烷＝1：1000，即可得到表面修饰所述十八烷基三氯硅烷的衬底(即为OTS修饰的衬底)。
[0029] 上述的制备方法中，步骤2)中，采用
旋涂、固化的方式制备所述支撑层和所述电介质层，如：将PDMS与固化剂(道康宁，硅酮
树脂184)按照体积比10:1的比例配制PDMS溶液，然后将搅拌约15min至溶液中没有气泡，最后静置约2h。将所述PDMS溶液均匀滴到置于匀胶机转盘上的硅衬底的表面，将匀胶机的转速设置在2000r/s，旋涂时间可为20s。
[0030] 上述的制备方法中，步骤4中)，所述氧等离子体处理可在常规条件下进行，如在100W的功率下处理100s；
[0031] 步骤5)中，采用机械探针转移的方法转移所述有机半导体单晶。
[0032] 本发明柔性可贴合复合式接近传感器可接近探测全范围材质物体。
[0033] 本发明测试了带电荷的手指和塑料戒指对复合接近传感器的接近响应，并获得了相应的
电流响应曲线；测试了手指和金戒指对复合接近传感器的接近响应，并获得了相应的电容响应曲线。
[0034] 在测试时，物体接近复合式接近传感器时两者之间的距离约为2cm，远离时两者之间距离为15cm以上。
[0035] 本发明柔性可贴合复合式接近传感器具有如下优点：
[0036] 本发明通过将电容式接近传感器与有机半导体式接近传感器相结合，实现了对人类手指、金戒指和带电塑料戒指的接近探测。该复合传感器还具有柔性、可贴合、结构简单等优点，可以探测多种材质物体的接近，使它在智能假肢、机器人和未来的
人机交互中有着重要的潜在应用。
附图说明
[0037] 图1是本发明制备的以红荧烯单晶和边缘
电场为敏感层的复合式接近传感器的结构示意图(图1(a))和照片图(图1(b))。
[0038] 图2是本发明两个敏感层的
显微镜图(图2(a))和(图2(b))。
[0039] 图3是本发明展示的该复合传感器两部分的传感机理，图3(a)展示了有机半导体部分接近传感器的传感机理，图3(b)展示了电容部分接近传感器的传感机理。
[0040] 图4是本发明
实施例2制备的以红荧烯单晶和探测为敏感层的复合式接近传感器对人类手指的接近响应照片图(图4(a))和动态响应电
信号图(图4(b))。
[0041] 图5是本发明实施例3制备的以红荧烯单晶和探测为敏感层的复合式接近传感器对金属戒指的接近响应照片图(图5(a))和动态响应
电信号图(图5(b))。
[0042] 图6是本发明实施例4制备的以红荧烯单晶和探测为敏感层的复合式接近传感器对塑料戒指的接近响应照片图(图6(a))和动态响应电信号图(图6(b))。
具体实施方式
[0043] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
[0044] 下述实施例中所用的材料、
试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0045] 实施例1、以红荧烯单晶和边缘电场为敏感层的柔性可贴合复合式接近传感器的制备
[0046] 1、将
硅片(厚度430μm)放入丙酮内超声10min，取出用氮气吹干，然后放入无水乙醇内超声10min，用氮气吹干，再用二次去离子水超声10min，最后氮气吹干。
[0047] 2、将硅衬底用OTS修饰以便可以将PDMS剥离，将硅片放在OTS溶液(OTS：正庚烷＝1:1000)中3小时。
[0048] 3、复合传感器中的电容式接近传感器的上下电极是蒸镀在OTS修饰的硅片上，上电极也作为有机半导体式接近传感器电极的一部分(2个上电极相对设置)；蒸镀电极为金，条件为真空度为10-4Pa，蒸镀速率为 电极厚度为30nm。
[0049] 4、然后在硅片上旋涂上配置好的PDMS，旋涂速率为2000rpm时间为20s，然后将它们放在70℃的烘箱中12小时使得PDMS固化，得到的PDMS电介质层的厚度为300μm左右，PDMS支撑层的厚度为300μm左右。
[0050] 5、将嵌入PDMS电介质层的上电极剥离，然后和嵌入PDMS支撑层的下电极一起用氧等离子体处理：在100W的功率下处理100s。然后将剥离的下电极和上电极贴合在一起，其中下电极与PDMS电介质层贴合配合，下电极与一个上电极交叉配合，放入70℃的烘箱中20分钟，将整个器件一起剥离。
[0051] 6、运用物理气相输运法制备红荧烯单晶，通过机械转移的方法使用探针将厚度约为100nm的红荧烯单晶
纳米带转移到制备好两个上电极之间上，就形成了可贴合的复合传感器。
[0052] 本发明制备的以红荧烯单晶和边缘电场为敏感层的复合式接近传感器的结构示意图如图1(a)所示，照片如图1(b)所示。
[0053] 图2是本实施例制备的柔性可贴合复合式接近传感器中两个敏感层的显微镜图，其中，图2(a)为有机半导体式接近传感器部分敏感层的显微镜图，图2(b)为电容式接近传感器部分敏感层的显微镜图，由该图可以看出，有机半导体式接近传感器部分敏感层是长条状的红荧烯单晶，电容式接近传感器部分敏感层为交叉电极部分。
[0054] 图3为本发明复合传感器两部分的传感机理，图3(a)为有机半导体部分接近传感器的传感机理，图3(b)为电容部分接近传感器的传感机理，可知，机半导体式接近传感器电流的大小和红荧烯内载流子的浓度是有关的，当带电物体接近时，红荧烯内部的载流子浓度会发生变化，使得有机半导体式接近传感器的电流改变，从而可以响应带电物体的接近。当导电物体接近电容式接近传感器部分时，边缘电场线会被导体捕获，使得两个极板之间的电容减小，从而可以响应导电物体的接近。
[0055] 实施例2、复合式接近传感器实时测试手指的接近刺激
[0056] 将实施例1制备的器件贴合到假肢上进行测试。
[0057] 人类手指接近复合式接近传感器的距离大约为2cm，实时测试手指的接近与远离时对器件电信号的影响。图4(a)和图4(b)分别表示测试时的照片图和电信号随着人类手指与器件之间距离变化的变化图。由图4(b)可以发现，随着人类手指的接近以及远离，复合式接近传感器中的电流信号以及电容信号都会发生变化，这一结果表明，本发明制备的复合式接近传感器可以有效地探测手指的接近情况。
[0058] 实施例3、复合式接近传感器实时测试金戒指的接近刺激
[0059] 将实施例1制备的器件贴合到假肢上进行测试。用金属
镊子夹住金戒指接近复合式接近传感器的距离大约为2cm，实时测试金戒指的接近与远离时对器件电信号的影响。图5(a)和图5(b)分别表示测试时的照片图和电信号随着人类手指与器件之间距离变化的变化图。由图5(b)可以发现，随着金戒指的接近以及远离，复合式接近传感器中的电容信号会发生变化，但是电流信号不变，这一结果表明，本发明制备的复合式接近传感器可以有效地探测金戒指的接近情况。
[0060] 实施例4、复合式接近传感器实时测试带电塑料戒指的接近刺激
[0061] 将实施例1制备的器件贴合到假肢上进行测试。用塑料镊子夹住带电塑料戒指接近复合式接近传感器的距离大约为2cm，实时测试带电塑料戒指的接近与远离时对器件电信号的影响。图6(a)和图6(b)分别表示测试时的照片图和电信号随着人类手指与器件之间距离变化的变化图。由图6(b)可以发现，随着带电塑料戒指的接近以及远离，复合式接近传感器中的电流信号会发生变化，但是电容信号不变，这一结果表明，本发明制备的复合式接近传感器可以有效地探测带电塑料戒指的接近情况。
