用于机器人手爪的柔性触觉传感系统及其制备方法

1.本发明涉及智能机器人技术领域，具体涉及一种用于机器人手爪的柔性触觉传感系统及其制备方法。


背景技术：

2.空间机器人多指手抓取和操作的研究已经成为当今科技领域中一个重要的研究课题。经过近二十多年的深入研究，在多指手的设计、抓取综合、多指运动学及控制等领域，取得了诸多进展。然而，为了其能够在存在着不确定性的环境下进行灵巧的操作，其手爪必须具有很强的感知能力，即配置触觉传感器系统。机器人手爪通过这些传感器来获得环境信息，以实现快速、准确、柔顺地触摸、抓取和操作工件。为了实现柔性触觉传感器的高传感性能，在传感器设计中引入多级微纳结构是提升器件性能的有效手段。
3.对于柔性触觉传感系统中系统电源而言，即太阳能电池，表面的光线反射是限制其性能的关键因素，因而通常在表面制备微纳结构以增强太阳能电池陷光性，提高其对光生载流子的收集能力。然而，目前多级微纳结构的制备通常涉及到复杂的工艺流程、严苛的实验条件及高昂的制造成本，这些问题极大的限制了它们的实际应用。


技术实现要素：

4.鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提出一种用于机器人手爪的柔性触觉传感系统及其制备方法，以便解决上述问题的至少之一。
5.其提供的新型柔性触觉传感系统由用于触觉感知的多丝微结构化柔性压力传感器及用于系统电源的光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池组成。基于多丝微纳加工技术实现多丝微结构化柔性压力传感器的高效快速大面积制备，采用共混法实现激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨的制备以用于导电材料。基于飞秒激光光丝远程微纳加工技术实现光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池抗反射蜂窝状微结构的制备，并在激光辐照之前表面镀覆一层铝膜，以降低太阳能电池的光线反射率。该新型柔性触觉传感系统基于自身具有优异的传感性能、较高的光电转换效率以及低制备成本低的优势在智能机器人传感领域具有巨大的应用潜力以及诱人的发展前景。
6.为实现上述目的，本发明具体采取如下技术方案：一种用于机器人手爪的柔性触觉传感系统，其特征在于，包括：相连接的用于触觉感知的多丝微结构化柔性压力传感器以及用于系统电源的光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池。
7.进一步地，所述多丝微结构化柔性压力传感器为采用两层激光诱导石墨烯/pedot：pss/pdms薄膜面对面组装形成的对电极式多丝微结构化柔性压力传感器；所述激光诱导石墨烯/pedot：pss/pdms薄膜从下到上由：多丝微结构化pdms薄膜（11）、激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨层（12）、以及位于激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨层（12）边沿的银导电油墨层（13）组成。
8.进一步地，所述光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池采用硅衬底（22），所述硅衬底（22）的中心窗口处为光丝烧蚀蜂窝状微结构；所述光丝烧蚀蜂窝状微结构上覆盖有石墨烯薄膜（25），周部设有导电银浆层（24）作为前电极；所述硅衬底（22）的背面设有铟镓共晶合金层（21）作为后电极。
9.进一步地，所述硅衬底的尺寸为1.5cm
×
1.5cm，所述中心窗口的尺寸为4.5mm
×
4.5mm。
10.进一步地，所述光丝烧蚀蜂窝状微结构为镀覆铝膜后在激光辐照下烧蚀形成。
11.进一步地，所述铝膜的厚度为200nm。
12.进一步地，所述多丝微结构化柔性压力传感器基于多丝微纳加工技术实现微结构的制备，导电材料为激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨。
13.进一步地，所述光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池基于飞秒激光光丝远程微纳加工技术实现抗反射蜂窝状微结构的制备，并在激光辐照之前在硅衬底表面镀覆一层铝膜，用于降低太阳能电池的光线反射率。
14.作为优选，所述飞秒激光光丝远程微纳加工技术中，激光脉冲中心波长为800nm，重复频率为100-1000hz，脉宽为45fs，经过焦距为2m的平凸透镜在空气中聚焦，基于非线性大气成丝形成百tw/cm2高强度激光脉冲。
15.进一步地，所述多丝微结构化柔性压力传感器制备过程包括以下步骤：步骤a1：将清洗后的聚酰亚胺薄膜放置在位移平台上，利用二氧化碳激光器按照预先编好的图案对样品表面进行雕刻，生成黑色的3d多孔石墨烯泡沫，即激光诱导石墨烯；步骤a2：将激光诱导石墨烯从pi薄膜刮下清洗干燥，置于无水乙醇中进行超声分散，后将pedot：pss溶液滴入激光诱导石墨烯/无水乙醇分散液中搅拌分散，得到激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨；步骤a3：将pdms的主剂与固化剂按照质量比10:1的比例混合搅拌，抽真空后置于多丝烧蚀硅模具上，翻模得到微结构化pdms薄膜；步骤a4：采用喷涂方式在微结构化pdms表面涂覆激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨，将两层制备好的激光诱导石墨烯/pedot：pss/pdms薄膜面对面组装对电极式多丝微结构化柔性压力传感器。
16.进一步地，所述光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池制备过程包括以下步骤：步骤b1：将尺寸为1.5cm
×
1.5cm的硅片依次放入丙酮、无水乙醇以及去离子水中进行超声清洗，将清洗后的硅片采用聚酰亚胺胶带包裹，中心留下4.5mm
×
4.5mm的窗口，利用控溅射技术溅射一层厚度为200nm的铝膜；步骤b2：通过激光将铝薄膜覆盖的硅片制备形成硅片表面蜂窝状微结构；步骤b3：在70℃下，利用氢氧化钾溶液对具有蜂窝状微结构的硅衬底进行平滑处理，后在5%的氢氟酸中放置1-3min以除去硅片中心窗口表面的氧化层，清洗干燥后备用；步骤b4：将清洗后的由环十二烷支撑保护的石墨烯膜转移到平滑处理的具有蜂窝状微结构的硅衬底上，在380℃真空条件下退火处理20min；步骤b5：在硅片中心窗口周围石墨烯表面丝网印刷导电银浆作为太阳能电池前电极，丝网印刷铟镓共晶合金以作为后电极。
17.作为优选，在步骤b2中，将铝薄膜覆盖的硅片放置在电脑控制三维位移平台上，通
过编写visual studio程序控制扫描振镜系统中镜片的偏转，进而调控百tw/cm2高强度激光运动的轨迹及速度，从而实现硅片表面蜂窝状微结构的制备。
18.相比于现有技术，本发明及其优选方案至少具有以下有益效果：（1）多丝微结构化柔性压力传感器具有的微纳结构可以有效改善器件的传感性能。
19.（2）光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池表面具有的蜂窝状微纳米结构可以有效增加入射光的传播路径及吸收表面积，注入的铝元素可以引起样品能带结构的改变，即有效增强硅片表面的陷光性，提高太阳能电池对光生载流子的收集能力。
20.（3）基于多丝微纳加工技术及飞秒激光光丝远程微纳加工技术具有远程、快速、可大面积加工的优势，可以实现多丝微结构化柔性压力传感器及光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池的高效制备，从而大幅度降低柔性触觉传感系统的制备成本。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
22.图1是本发明实施例飞秒激光光丝在镀铝膜硅表面烧蚀出的微纳米结构扫描电子显微镜图；图2是本发明实施例多丝微结构化柔性压力传感器结构示意图；图3是本发明实施例光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
23.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
24.本发明实施例提供的用于机器人手爪的新型柔性触觉传感系统由多丝微结构化柔性压力传感器及光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池组成。
25.其中，多丝微结构化柔性压力传感器用于触觉感知，光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池用于系统电源。
26.作为优选，多丝微结构化柔性压力传感器基于多丝微纳加工技术实现微结构的制备，导电材料为激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨。
27.作为优选，光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池基于飞秒激光光丝远程微纳加工技术实现抗反射蜂窝状微结构的制备，并可以在激光辐照之前表面镀覆一层铝膜，以降低太阳能电池的光线反射率。图1展示出飞秒激光光丝在镀铝膜硅表面烧蚀出的微纳米结构扫描电子显微镜图，可以看出烧蚀后的硅片表面具有蜂窝状微结构。
28.其中，作为本实施例的优选飞秒激光光丝远程微纳加工技术，采用的激光脉冲中心波长为800nm，重复频率为100-1000hz，脉宽为45fs，经过焦距为2m的平凸透镜在空气中聚焦，基于非线性大气成丝形成百tw/cm2高强度激光脉冲。
29.为了使本领域技术人员更好地理解本发明结构的制作方法和形成过程，以下特别提供了优选的制备方案供参考。
30.在本实施例中，多丝微结构化柔性压力传感器制备方法包括：步骤1：将清洗后的聚酰亚胺薄膜放置在位移平台上，利用二氧化碳激光器按照预先编好的计算机图案对样品表面进行雕刻（gy-g40k激光雕刻机，最大功率40w），扫描速度100mm/s，生成黑色的3d多孔石墨烯泡沫，即激光诱导石墨烯。
31.步骤2：将激光诱导石墨烯从pi薄膜刮下清洗干燥，置于无水乙醇中进行超声分散，后将pedot：pss溶液滴入激光诱导石墨烯/无水乙醇分散液中用玻璃棒缓慢搅拌15min后进行25min超声分散，得到激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨。后将混合溶液放置真空干燥箱内挥发掉部分乙醇。
32.步骤3：将pdms的主剂与固化剂按照质量比10:1的比例混合搅拌，抽真空后置于多丝烧蚀硅模具上，并在1100rpm的速度下进行旋涂以保证pdms厚度的均匀性，在120
°
固化20min后，将pdms薄膜剥离下来，即通过翻模得到微结构化pdms薄膜。制备出的 pdms 薄膜具有出色的弹性、生物相容性和透气性。
33.步骤4：采用喷涂方式在微结构化pdms表面涂覆激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨，将两层制备好的激光诱导石墨烯/pedot：pss/pdms薄膜面对面组装对电极式多丝微结构化柔性压力传感器。
34.图2展示出通过该制备方案形成的多丝微结构化柔性压力传感器结构，包括：多丝微结构化pdms薄膜 11、激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨层12以及银导电油墨层13，完整的多丝微结构化柔性压力传感器通过两层激光诱导石墨烯/pedot：pss/pdms薄膜面对面组装而成。
35.在本实施例中，光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池制备方法包括：步骤1：将尺寸为1.5cm
×
1.5cm的硅片依次放入丙酮、无水乙醇以及去离子水中进行超声清洗，将清洗后的硅片采用聚酰亚胺胶带包裹，中心留下4.5mm
×
4.5mm的窗口，利用控溅射技术（北京创世威纳科技有限公司，msp-3200）溅射一层厚度为200nm的铝膜。本步骤中，聚酰亚胺胶带的作用仅在于方便形成铝膜以及后续表面蜂窝状微结构的制备，在步骤3时去除，并不参与其他反应。
36.步骤2：将铝薄膜覆盖硅片放置在电脑控制三维位移平台上，通过编写visual studio程序控制扫描振镜系统中镜片的偏转，进而调控百tw/cm2高强度激光运动的轨迹及速度（ti:sapphire 飞秒激光放大器系统，型号为spitfire ace），从而实现硅片表面蜂窝状微结构的制备。
37.步骤3：在70℃下，利用氢氧化钾溶液对具有蜂窝状微结构的硅衬底进行平滑处理，后在5%的氢氟酸中放置1-3min以除去具有表面蜂窝状微结构部分的氧化层（苏州芯矽电子科技有限公司，szsi-mwb-03），清洗干燥后备用。
38.步骤4：将清洗后的由环十二烷支撑保护的石墨烯膜转移到平滑处理的具有蜂窝状微结构的硅衬底上，在380℃真空条件下退火处理20min，将石墨烯薄膜上的环十二烷去除，使石墨烯薄膜与硅充分接触形成异质结。
39.步骤5：在硅片中心窗口周围石墨烯表面丝网印刷导电银浆作为太阳能电池前电极，丝网印刷铟镓共晶合金以作为后电极。
40.图3展示出通过该制备方案形成的光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池结构，包括：铟镓共晶合金层21、光丝烧蚀蜂窝状微结构硅衬底22、二氧化硅氧化层23、导电银浆层24以及石墨烯薄膜25。其中，二氧化硅氧化层23系在硅衬底表面形成，除了光丝烧蚀蜂窝状微结构表面的氧化层必须去除以使石墨烯薄膜与硅充分接触形成异质结外，其余部分可以无需去除，起保护和缓冲作用。
41.以上优选制备方案中，基于多丝微纳加工技术及飞秒激光光丝远程微纳加工技术具有远程、快速、可大面积加工的优势，可以实现多丝微结构化柔性压力传感器及光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池的高效制备，从而大幅度降低柔性触觉传感系统的制备成本。
42.本发明提供的器件装置至少具备以下优势：（1）多丝微结构化柔性压力传感器具有的微纳结构可以有效改善器件的传感性能。
43.（2）光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池表面具有的蜂窝状微纳米结构可以有效增加入射光的传播路径及吸收表面积，进一步通过铝薄膜注入的铝元素可以引起样品能带结构的改变，即有效增强硅片表面的陷光性，提高太阳能电池对光生载流子的收集能力。
44.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
45.本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的用于机器人手爪的柔性触觉传感系统及其制备方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

技术特征：
1.一种用于机器人手爪的柔性触觉传感系统，其特征在于，包括：相连接的用于触觉感知的多丝微结构化柔性压力传感器以及用于系统电源的光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池。2.根据权利要求1所述的用于机器人手爪的柔性触觉传感系统，其特征在于：所述多丝微结构化柔性压力传感器为采用两层激光诱导石墨烯/pedot：pss/pdms薄膜面对面组装形成的对电极式多丝微结构化柔性压力传感器；所述激光诱导石墨烯/pedot：pss/pdms薄膜从下到上由：多丝微结构化pdms薄膜（11）、激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨层（12）、以及位于激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨层（12）边沿的银导电油墨层（13）组成。3.根据权利要求1所述的用于机器人手爪的柔性触觉传感系统，其特征在于：所述光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池采用硅衬底（22），所述硅衬底（22）的中心窗口处为光丝烧蚀蜂窝状微结构；所述光丝烧蚀蜂窝状微结构上覆盖有石墨烯薄膜（25），周部设有导电银浆层（24）作为前电极；所述硅衬底（22）的背面设有铟镓共晶合金层（21）作为后电极。4.根据权利要求3所述的用于机器人手爪的柔性触觉传感系统，其特征在于：所述硅衬底的尺寸为1.5cm
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1.5cm，所述中心窗口的尺寸为4.5mm
×
4.5mm。5.根据权利要求3所述的用于机器人手爪的柔性触觉传感系统，其特征在于：所述光丝烧蚀蜂窝状微结构为镀覆铝膜后在激光辐照下烧蚀形成。6.根据权利要求5所述的用于机器人手爪的柔性触觉传感系统，其特征在于：所述铝膜的厚度为200nm。7.根据权利要求1所述的用于机器人手爪的柔性触觉传感系统的制备方法，其特征在于：所述多丝微结构化柔性压力传感器基于多丝微纳加工技术实现微结构的制备，导电材料为激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨。8.根据权利要求1所述的用于机器人手爪的柔性触觉传感系统的制备方法，其特征在于：所述光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池基于飞秒激光光丝远程微纳加工技术实现抗反射蜂窝状微结构的制备，并在激光辐照之前在硅衬底表面镀覆一层铝膜，用于降低太阳能电池的光线反射率。9.根据权利要求1所述的用于机器人手爪的柔性触觉传感系统的制备方法，其特征在于：所述多丝微结构化柔性压力传感器制备过程包括以下步骤：步骤a1：将清洗后的聚酰亚胺薄膜放置在位移平台上，利用二氧化碳激光器按照预先编好的图案对样品表面进行雕刻，生成黑色的3d多孔石墨烯泡沫，即激光诱导石墨烯；步骤a2：将激光诱导石墨烯从pi薄膜刮下清洗干燥，置于无水乙醇中进行超声分散，后将pedot：pss溶液滴入激光诱导石墨烯/无水乙醇分散液中搅拌分散，得到激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨；步骤a3：将pdms的主剂与固化剂按照质量比10:1的比例混合搅拌，抽真空后置于多丝烧蚀硅模具上，翻模得到微结构化pdms薄膜；步骤a4：采用喷涂方式在微结构化pdms表面涂覆激光诱导石墨烯/pedot：pss导电油墨，将两层制备好的激光诱导石墨烯/pedot：pss/pdms薄膜面对面组装对电极式多丝微结构化柔性压力传感器。10.根据权利要求1所述的用于机器人手爪的柔性触觉传感系统的制备方法，其特征在于：
所述光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池制备过程包括以下步骤：步骤b1：将尺寸为1.5cm
×
1.5cm的硅片依次放入丙酮、无水乙醇以及去离子水中进行超声清洗，将清洗后的硅片采用聚酰亚胺胶带包裹，中心留下4.5mm
×
4.5mm的窗口，利用控溅射技术溅射一层厚度为200nm的铝膜；步骤b2：通过激光将铝薄膜覆盖的硅片制备形成硅片表面蜂窝状微结构；步骤b3：在70℃下，利用氢氧化钾溶液对具有蜂窝状微结构的硅衬底进行平滑处理，后在5%的氢氟酸中放置1-3min以除去硅片中心窗口表面的氧化层，清洗干燥后备用；步骤b4：将清洗后的由环十二烷支撑保护的石墨烯膜转移到平滑处理的具有蜂窝状微结构的硅衬底上，在380℃真空条件下退火处理20min；步骤b5：在硅片中心窗口周围石墨烯表面丝网印刷导电银浆作为太阳能电池前电极，丝网印刷铟镓共晶合金以作为后电极。

技术总结
本发明公开了一种用于机器人手爪的柔性触觉传感系统及其制备方法，由用于触觉感知的多丝微结构化柔性压力传感器及用于系统电源的光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池组成。基于多丝微纳加工技术实现多丝微结构化柔性压力传感器的高效快速大面积制备，采用共混法实现激光诱导石墨烯/PEDOT：PSS导电油墨的制备以用于导电材料。基于飞秒激光光丝远程微纳加工技术实现光丝烧蚀石墨烯/硅太阳能电池抗反射蜂窝状微结构的制备，并在激光辐照之前表面镀覆一层铝膜，以降低太阳能电池的光线反射率。该新型柔性触觉传感系统基于自身具有优异的传感性能、较高的光电转换效率以及低制备成本低的优势在智能机器人传感领域具有巨大的应用潜力以及诱人的发展前景。潜力以及诱人的发展前景。潜力以及诱人的发展前景。


技术研发人员：陈力 沈逸群
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/1