CN105361977A - 电阻式柔性透明关节部位电子皮肤及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻式柔性透明关节部位电子皮肤及其制备方法和应用。该电子皮肤包括透明柔性衬底，所述衬底上依次设置有第一电极层、饱和高分子材料层以及第二电极层，所述第一、第二电极层中的至少一者为透明导电层，所述透明导电层包含有至少一碳纳米管薄膜层，每一碳纳米管薄膜层主要由碳纳米管阵列组成，所述碳纳米管阵列包含沿同一方向择优取向排列的多根碳纳米管。该电子皮肤具有高透光率和柔性易弯曲等优点，且其工作电压可低至0.5V，功耗小，稳定、精确度高，响应时间短，且其制备工艺简单可控，原料廉价易得，成本低廉，可在人工智能仿生，医疗诊断以及人造器官等方面广泛应用。

Description

电阻式柔性透明关节部位电子皮肤及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种电子皮肤，特别涉及一种基于碳纳米管阵列薄膜/饱和高分子复合结构的电阻式柔性透明关节部位电子皮肤及其制备工艺。

背景技术

随着信息技术的高速发展，日常生活中人们所要处理的信息量越来越大，传统的刚性电子器件在已经不能满足人们对电子器件更轻，更快，更小，高度集成化方面的要求。未来电子学的解决途径在于发展柔性，可变性，人体友好的器件。近年来，柔性(弯曲，拉伸)电子学由于在不同领域，例如仿生机器人的传感皮肤、可穿戴的通讯器件以及仿生集成器件等方面的应用而受到人们广泛关注。

电子皮肤、电子肌肉、电子纤维等都代表了一种新，形状可塑，大面积的集成电子学。研究与人类皮肤敏感性相近的电子皮肤源于制备大面积、多传感器的表面的需求，这些表面被大量应用于人工智能仿生，医疗诊断，以及取代或代替人类的器官等的应用方面。例如，为机器人提供传感能力，将会扩展他们的应用范围，包括：老年人陪护。这些电子皮肤传感器如果应用在人的皮肤上，将能够提供高水准的诊断和身体信号监控。

发展柔性电子学最有挑战性的就是让柔性器件同时得到好的电学性能和机械稳定性。尤其是，组成柔性集成系统的材料和器件要合理地组合，以便在高应力下充分发挥他们的机械和电学功能。

现有的电子皮肤大都关注于拉伸和压力传感，即其主要用于感应拉伸或者挤压力，而较少能感应剪切力和拉伸力，若应用于探测机械连接点处的活动状况时，很难平稳和精确地工作，且这类电子皮肤在稳定度有所欠缺，精确度偏低，以及响应时间偏长等缺点。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种具有低成本、高透明、高精度、高稳定性、快速反应的电阻式柔性透明关节部位电子皮肤。

为实现该发明目的，本发明提供的一种电阻式柔性透明关节部位电子皮肤包括透明柔性衬底，所述衬底上依次设置有第一电极层、饱和高分子材料层以及第二电极层，所述第一电极层和第二电极层中的至少一者为透明导电层，所述透明导电层包含有至少一碳纳米管薄膜层，每一碳纳米管薄膜层主要由碳纳米管阵列组成，所述碳纳米管阵列包含沿同一方向择优取向排列的多根碳纳米管。

进一步的，所述透明导电层包含有两个以上碳纳米管薄膜层，其中一碳纳米管薄膜层内的碳纳米管的排列方向与另一碳纳米管薄膜层内的碳纳米管的排列方向相同或相交叉。

进一步的，所述第一电极层和第二电极层之中的任一者包含有碳纳米管薄膜层，另一者主要由金属、导电氧化物和导电高分子材料中的任一种或两种以上的组合构成。

本发明的另一目的在于提供一种制备所述电阻式柔性透明关节部位电子皮肤的方法，包括：

提供一第一电极层，所述第一电极层包含至少一碳纳米管薄膜层，其中每一碳纳米管薄膜层主要由碳纳米管阵列组成，所述碳纳米管阵列包含沿同一方向择优取向排列的多根碳纳米管；

将所述碳纳米管薄膜层暴露在挥发性溶剂气氛中30s以上，优选为30-60s，再在所述碳纳米管薄膜层上涂覆饱和高分子溶液，并在50～150℃退火10min以上，优选为10-50min，形成饱和高分子材料层；

在所述饱和高分子材料层上设置一第二电极层。

进一步的，所述制备方法还可包括：

提供可纺碳纳米管阵列，并通过纺丝法转移到透明柔性衬底上，形成主要由碳纳米管薄膜层组成的第一电极层。

其中，所述饱和高分子溶液浓度优选为10～200mg/mL。

其中，所述挥发性溶剂可选自但不限于乙醇。

优选的，所述碳纳米管薄膜的透光率为60-90％，电导率为30-500Ω/□，拉伸强度为200-2000MPa。

其中，所述碳纳米管薄膜的厚度约在80～100nm左右。

其中，所述导电高分材料可选自但不限于聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯中的任一种或两种以上的组合。

其中，所述金属可选自但不限于Au、Pt、Ni、Ag、In和Cu中的任一种或者两种以上的组合。

其中，所述导电氧化物层可选自但不限于ZnO、氧化铟锡中的任一种或两种的组合。

其中，用以形成所述柔性衬底的材料可选自但不限于聚对苯二甲酸乙二酯、聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺中的任一种或两种以上的组合。

其中，用以形成所述饱和高分子材料层的饱和高分子可选自但不限于聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙烯醇缩丁醛树脂和聚苯乙烯中的任一种或两种以上的组合。

本发明的又一目的在于提供所述电阻式柔性透明关节部位电子皮肤在制备仿生装置或可穿戴设备中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

(1)本发明的电子皮肤因采用碳纳米管阵列薄膜与饱和高分子材料的复合材料及透明柔性衬底，具有高透光率和柔性易弯曲(弯曲弯曲程度可达105～180°)等优点，且其工作电压可低至0.5V，功耗小，稳定性好(在运行2万次之后电流依然保持不变)、精确度高，响应时间短(可低至0.3s左右)；

(2)本发明的电子皮肤因采用饱和高分子材料等廉价易得的材料作为原料，且工艺简单可控，从而极大地降低了器件的成本，且使其具有良好工作性能，可在人工智能仿生，医疗诊断以及人造器官等方面广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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的附图。

图1是本发明一典型实施方案中一种电阻式柔性透明关节部位电子皮肤的结构示意图；

图2a是实施例1中电阻式柔性透明关节部位电子皮肤随人体手指弯曲的照片；

图2b是实施例1中电阻式柔性透明关节部位电子皮肤随人体手指弯曲后的电阻信号变化图；

图3是实施例1中碳纳米管薄膜层的透过光谱；

图4是实施例1中电子皮肤的响应时间测试图谱；

图5是实施例1中电子皮肤的稳定性测试图谱；

图6是实施例1中电子皮肤的弯曲度测试图谱；

图7是实施例1中电子皮肤的运行精确性测试图谱。

具体实施方式

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详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示系本发明的一典型实施方案之中的一种电阻式柔性透明关节部位电子皮肤，其包含：透明柔性衬底4、第一电极层3、饱和高分子材料层2、第二电极层1。该第一电极层、第二电极层亦可认为是下电极层和上电极层。

其中，柔性衬底4、饱和高分子材料层2等可选用业界所知的适用材料，例如前文所述的一些材料形成，此处不再赘述。

而关于上、下电极层，其中的至少一者需为透明导电层，而所述透明导电层可主要由一层、双层或多层碳纳米管薄膜层组成。

其中，若所述透明导电层包含有两个以上碳纳米管薄膜层，其中一碳纳米管薄膜层内的碳纳米管的排列方向与另一碳纳米管薄膜层内的碳纳米管的排列方向相同或相交叉，例如呈十字交叉。

在一实施方案之中，上电极层可采用金属、导电金属氧化物、导电高分子材料中的一种或多种形成，下电极层采用所述碳纳米管薄膜层。

在另一实施方案之中，也可是上电极层采用所述碳纳米管薄膜层，下电极层由金属、导电金属氧化物、导电高分子材料中的一种或多种通过金属蒸镀、溅射、沉积、涂布等方式形成。

优选的，所述上、下电极层可均是透明的，以进一步提升所述电子皮肤的透光率。

例如，在一实施案例之中，下电极层可主要由所述碳纳米管薄膜层组成，而上电极层可采用由碳纳米管、ITO、石墨烯等材料形成的、具有设定图案化结构的透明电极。其中，为获得图案化结构，可因实际需要而采用干法、湿法刻蚀、光刻、微加工等手段中的任一种或多种。

以下结合一实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。

实施例1该电阻式柔性透明关节部位电子皮肤的制备工艺包括：

1.在将在硅片基底上化学气相沉积方法生长的可纺碳纳米管阵列(FWCNT)，通过抽丝的方法转移到干净的聚对苯二甲酸乙二酯衬底上，所获碳纳米管薄膜层的透光性能可参阅图3；

2.将衬底上的碳纳米管阵列暴露在乙醇气氛中30～60秒，形成基底；

3.通过旋涂方式将饱和高分子聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液旋涂于经过步骤(1)-(2)处理过的基底；

4.将步骤(3)所获样品在95℃退火10分钟；

5.在步骤(4)所形成的PMMA层上蒸镀上两个铬/金电极，该两个电极间隔为20mm，形成目标器件，其结构亦可参阅图1所示。

其中，为测试该目标器件的性能，可将其固定在步进机上，通过步进机的运动模拟电子皮肤的弯曲拉伸过程。

而请参阅图2a，可将该目标器件制成可穿戴在人体手上的形态，其可随人体手指弯曲。再请参阅图2b，在人体手指弯曲过程中，该目标器件的电阻信号亦会发生变化。

请参阅图4-图7，本实施例的电子皮肤具有成本低廉，性能稳定(在运行2万次后电流依然保持不变)、弯曲性能好(弯曲程度105～180度)，精确(参阅图7，每弯曲一个角度就对应一个电流值，器件在0.5V时工作，得到器件的电流为10^-5A，其功率值为5E-6瓦)以及反应快速(响应时间约0.31秒)等优点，且易于制备。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施例仅是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (14)

1.一种电阻式柔性透明关节部位电子皮肤，其特征在于包括透明柔性衬底，所述衬底上依次设置有第一电极层、饱和高分子材料层以及第二电极层，所述第一电极层和第二电极层中的至少一者为透明导电层，所述透明导电层包含有至少一碳纳米管薄膜层，每一碳纳米管薄膜层主要由碳纳米管阵列组成，所述碳纳米管阵列包含沿同一方向择优取向排列的多根碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的电阻式柔性透明关节部位电子皮肤，其特征在于所述透明导电层包含有两个以上碳纳米管薄膜层，其中一碳纳米管薄膜层内的碳纳米管的排列方向与另一碳纳米管薄膜层内的碳纳米管的排列方向相同或相交叉。

3.根据权利要求1所述的电阻式柔性透明关节部位电子皮肤，其特征在于所述第一电极层和第二电极层之中的任一者包含有碳纳米管薄膜层，另一者主要由金属、导电氧化物和导电高分子材料中的任一种或两种以上的组合构成。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的电阻式柔性透明关节部位电子皮肤，其特征在于所述碳纳米管薄膜的透光率为60-90%，电导率为30-500Ω/□，拉伸强度为200-2000MPa。

5.根据权利要求3所述的电阻式柔性透明关节部位电子皮肤，其特征在于所述导电高分材料包括聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯中的任一种或两种以上的组合。

6.根据权利要求3所述的电阻式柔性透明关节部位电子皮肤，其特征在于所述金属包括Au、Pt、Ni、Ag、In和Cu中的任一种或者两种以上的组合。

7.根据权利要求3所述的电阻式柔性透明关节部位电子皮肤，其特征在于所述导电氧化物层包括ZnO、氧化铟锡中的任一种或两种的组合。

8.根据权利要求1-3、5-7中任一项所述的电阻式柔性透明关节部位电子皮肤，其特征在于，用以形成所述柔性衬底的材料包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺中的任一种或两种以上的组合。

9.根据权利要求1-3、5-7中任一项所述的电阻式柔性透明关节部位电子皮肤，其特征在于，用以形成所述饱和高分子材料层的饱和高分子包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙烯醇缩丁醛树脂和聚苯乙烯中的任一种或两种以上的组合。

10.权利要求1-9中任一项所述电阻式柔性透明关节部位电子皮肤的制备方法，其特征在于包括：

提供一第一电极层，所述第一电极层采用透明导电层，所述透明导电层包含至少一碳纳米管薄膜层，其中每一碳纳米管薄膜层主要由碳纳米管阵列组成，所述碳纳米管阵列包含沿同一方向择优取向排列的多根碳纳米管；

将所述碳纳米管薄膜层暴露在挥发性溶剂气氛中30s以上，再在所述碳纳米管薄膜层上涂覆饱和高分子溶液，并在50~150℃退火10min以上，形成饱和高分子材料层；

在所述饱和高分子材料层上设置一第二电极层。

11.根据权利要求10所述电阻式柔性透明关节部位电子皮肤的制备方法，其特征在于还包括：

提供可纺碳纳米管阵列，并通过纺丝法转移到透明柔性衬底上，形成主要由碳纳米管薄膜层组成的第一电极层。

12.根据权利要求10或11所述电阻式柔性透明关节部位电子皮肤的制备方法，其特征在于所述饱和高分子溶液浓度为10~200mg/mL。

13.根据权利要求10或11所述的电阻式柔性透明关节部位电子皮肤的制备方法，其特征在于所述挥发性溶剂包括乙醇。

14.权利要求1-13中任一项所述电阻式柔性透明关节部位电子皮肤在制备仿生装置或可穿戴设备中的应用。