✅ 一、传感器结构详细介绍（中文）

📐 总体结构构成

✨ 功能整合

• 法向力检测（z轴）：由压电层（PZT）负责；

• 切向力检测（x/y轴）：由应变电阻层负责；

• 材料类型识别：由摩擦电信号决定（基于表面摩擦系数差异）；

• 可穿戴/集成：适用于机械手、仿生皮肤、机器人末端执行器。

1. 力传感器制备

材料选择：

• 设计并使用3D打印机制作微结构模具。

• 使用不同型号的硅胶（15#, 20#, 25#, 30#, 35#），按1:1重量比混合A、B成分。

• 慢慢将混合物倒入模具，避免气泡的形成。

• 模具预先打印并清洁，混合物倒入后，放置在室温下固化6小时，确保完全固化并获得最佳机械性能。

• 固化后，小心脱模，获得所需的微结构样品。

力传感器制造：

• 使用3D打印机打印电极框架部分，并在适当位置涂覆银电极，并在相应位置连接电线。

• 为微针结构部分制作三部分模具，使用3D打印技术进行打印。

• 准备硅胶橡胶溶液（Ecoflex 00-25），按1:1体积比混合。

• 将硅胶溶液倒入模具，并在室温下固化3小时，固化后样品进行真空等离子清理40秒，接着在表面涂上银膏，并连接电线，作为整个力传感器结构的屏蔽层。

2. 材料识别层制备

• 制备三份硅胶橡胶溶液（Ecoflex 00-25），按1:1体积比混合。

• 分别加入三种不同的聚合物粉末：聚酰胺66（PA66）、聚四氟乙烯（PTFE）和聚丙烯腈（PAN-10），以8:1的比例混合。

• 彻底搅拌后，将混合物倒入预打印模具中，未完全固化时嵌入导电电线。

• 固化后，小心脱模，为后续使用做好准备。

• 设计外层硅胶模具，确保力传感器组件能够完美嵌入模具中。将已制备好的力传感器放置在模具中心，再次注入硅胶溶液并固定。

• 固化后，使用镊子小心脱模，最后将材料识别层放入指定位置，完成传感器的组装。

3. 所需仪器设备

1. 3D打印机：用于制作微结构模具和电极框架。

2. 真空等离子清理机：用于处理样品表面，确保电极涂层的良好附着。

3. 银膏：用于电极表面涂覆，形成屏蔽层。

4. 可编程电表（Keithley 6514）：用于测量开路电压（Voc）。

5. 数据采集卡（National Instruments 6346）：用于多通道电压信号的同步采集。

6. LabVIEW平台：用于多通道数据采集、处理和存储。0

7. 电源供应与驱动系统：如线性电机（LinMot-E1200）用于测试过程中施加的压力。

实验方案

一、项目名称

二、研究背景与意义

三、研究目标

1. 设计并制备一体化多模态柔性触觉传感器；

2. 实现对x/y/z方向力与材料类型的同时感知；

3. 验证其机械柔性、识别灵敏度与稳定性。

四、传感器结构组成

五、材料与仪器清单

六、传感器制备步骤（准确）

1. 力传感器部分：

• 使用3D打印机制作电极框架和微针模具；

• Ecoflex（1:1体积比）倒入模具，室温固化3小时；

• 真空等离子清理40秒；

• 表面刷涂银膏，连接导线构成屏蔽层。

2. 材料识别层：

• 配制三种Ecoflex基混合液，分别加入PA66、PTFE和PAN粉末（粉:硅胶=1:8质量比）；

• 倒入模具，趁未固化嵌入导线；

• 固化后脱模，完成三种不同材料识别单元。

3. 层间组装：

• 外部硅胶模具中嵌入力传感器，注入硅胶固定封装；

• 将材料识别层按结构图黏附于指形结构前端；

• 封装后引线焊接，完成整体器件制备。

七、性能测试方法

1. 法向力测试：施加z轴压力，测量压电输出（PZT响应）；

2. 剪切力测试：模拟x/y方向滑动，记录电阻变化（Ag NWs应变层）；

3. 摩擦电材料识别：用三种不同材料表面接触，测Voc与特征波形分类；

4. 稳定性与可靠性：重复施力500次，评估信号衰减与灵敏度变化。

八、预期结果

• 具备z轴压电响应，x/y方向应变检测与摩擦电材料识别；

• 输出稳定、识别准确率>95%；

• 柔性良好，响应时间<50ms，耐弯折性强；

• 满足智能仿生系统集成需求。

九、应用前景

• 人工智能手指与电子皮肤系统；

• 医疗康复设备中的感知模块；

• 机器人末端执行器反馈系统；

• 多通道柔性感知阵列基础构件。