CN108168734B - 一种基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及柔性传感器技术领域，提供一种基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤及其制备方法，柔性电子皮肤包括温度传感单元、置于温度传感单元上的传热单元以及将温度传感单元及传热单元封装于一体的封装层，所述温度传感单元包括柔性基底、由下至上依次沉积于所述柔性基底上的绝缘层、过渡层、多个薄膜热电堆以及绝热保护层，所述传热单元包括多个分别固定于各所述薄膜热电堆的传热区域上并伸出所述绝热保护层及所述封装层外的传热纤毛。本发明中，柔性电子皮肤结构简单，一体封装成型，便于集成化制备；且制作形成的电子皮肤柔性、弹性好，满足多种应用需求；同时，采用纤毛进行温度传感灵敏度高，精度准确，测温响应时间短，温度测量范围广。

Description

一种基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，尤其提供一种基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤及其制备方法。
背景技术
电子皮肤是当今国际研究的热点问题之一，其在仿生智能机器人、人体假肢、可穿戴设备等多个领域有非常重要的应用前景。人类皮肤不仅可以保护人体内部器官运行免受外界干扰，还是重要的信息获取来源，主要包括对压力、拉力、振动的感知的力的传感和对热量散失、冷、热的温度传感方面。目前电子皮肤的研究主要集中在力的触觉传感方面，并取得了显著进展，而对温度传感方面的研究相对较少。
已知的应用于电子皮肤的温度传感器类型有热敏电阻、热膨胀复合材料以及热电p-n结。其中，热敏电阻与温度变化有较好的线性关系，但测量温度时需要输入外部电流，同时也要监测电压值的变化，这样需要采用四端引线，与上下极板的电极组成三明治结构，结构复杂，增加了加工难度，而合并引线的三线法和两线法，测温精度较差，同时电阻值的变化会受压力的影响，因而在力求结构简单、传感精确的电子皮肤温度传感的应用中有较大的局限性。而在聚合物基体中加入导电填充物的复合材料，温度升高基体膨胀使填充物分布稀疏进而使电阻增大，测量时易受变形作用的影响，测量精度差，材料性能不稳定，不具有长期使用特性。热敏p-n结基于载流子的热活化来测温，灵敏度优于热敏电阻，但具有光影响特性，在实际应用中容易受到干扰，影响温度感应变化的准确度。
而且，目前的电子皮肤的温度传感主要适用于对固体表面的温度传感，而不能灵敏感知环境中(气流)温度变化。而应用于气体测温的方法中，非接触式：红外辐射，声学测温等受气体的环境因素影响较大；可协调半导体激光吸收吸收谱技术，测量装置复杂，价格昂贵，且有很大的使用局限性，测量精度差。接触式：热敏电阻等热容量较大，对温度的响应较慢，且对测试要求严格的温度传感，易扰动被测温度场，均不适用于电子皮肤的温度传感。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤及其制备方法，旨在解决现有技术中温度传感时存在的准确度低、响应慢等技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤，包括温度传感单元、置于所述温度传感单元上的传热单元以及将所述温度传感单元及所述传热单元封装于一体的封装层，所述温度传感单元包括柔性基底、由下至上依次沉积于所述柔性基底上的绝缘层、过渡层、多个薄膜热电堆以及绝热保护层，所述传热单元包括多个分别固定于各所述薄膜热电堆的传热区域上并伸出所述绝热保护层及所述封装层外的传热纤毛。
进一步地，所述绝缘层包括沉积于所述柔性基底上的热绝缘层以及沉积于所述热绝缘层上的电绝缘层。
进一步地，各所述薄膜热电堆为由多对薄膜热电偶串联形成的环状结构，所述传热区域位于所述环状结构内。
进一步地，所述传热纤毛为采用高导热碳纤维、石墨纤维、金属或高分子材料制成的丝状物。
进一步地，所述传热纤毛通过导热粘结层固定于所述传热区域上。
本发明还提供了一种上述的基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤的制备方法，包括以下工艺步骤：
制备温度传感单元及传热单元：
预备柔性基底，于所述柔性基底上由下至上依次沉积绝缘层、过渡层；
于所述过渡层上间隔沉积多个薄膜热电堆；
预备多个传热纤毛，在每个所述薄膜热电堆的传热区域固定一传热纤毛；
于所述过渡层上沉积用于封装各所述薄膜热电堆的绝热保护层，并使各所述传热纤毛伸出所述绝热保护层外；
封装：
将所述温度传感单元及所述传热单元封装为一体，且各所述传热纤毛伸出封装体外。
进一步地，所述柔性基底材料为聚酰亚胺或聚乙烯醇薄膜或聚酯薄膜。
进一步地，所述绝缘层包括沉积于所述柔性基底上的热绝缘层以及沉积于所述热绝缘层上的电绝缘层，所述热绝缘层为多孔硅层或由氧化钇与氧化锆组成的热障涂层，所述电绝缘层为SiO2层。
进一步地，所述薄膜热电堆由多对薄膜热电偶串联形成，所述薄膜热电偶为T型热电偶或S型热电偶或B型热电偶或E型热电偶或R型热电偶或K型热电偶。
进一步地，所述传热纤毛为采用高导热的碳纤维、石墨纤维、金属或高分子材料制成的丝状物。
本发明的有益效果：
本发明中，利用传热纤毛可灵敏感应外面环境温度并传递给薄膜热电堆，极大地缩短响应时间，提高响应速率，而且温度感知无需外部电流输入，信号传递无需与上下基板形成电路回路，结构简单,制作方便，利于批量、集成化制备；同时，测温部分采用薄膜热电堆，与热电偶相比提高了输出电压与测温精度，且在薄膜热电堆外封装绝热保护层，有效防止环境温度对测温准确性的干扰，同时也减少了柔性基底及绝缘层对薄膜热电堆温度响应速率的影响，极大地降低了结构的热惯性，提高热电堆温度变化的响应速率，进而提高柔性电子皮肤的感知灵敏度；而且，薄膜热电堆性能稳定，受光照和变形的影响小，应用于电子皮肤时，使电子皮肤具有更好的适用性及稳定性；进一步，可用于制备薄膜热电堆的材料种类多，使得其应用场所广泛，应用前景更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤的剖视图；
图3为本发明实施例提供的基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤中薄膜热电堆的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤的制备方法流程图；
其中，图中各附图标记：
10-温度传感单元；11-柔性基底；12-绝缘层；121-热绝缘层；122-电绝缘层；13-过渡层；14-薄膜热电堆；141-传热区域；142-N-P薄膜热电偶对；15-绝热保护层；20-传热单元；21-传热纤毛；22-导热粘结层；30-封装层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1至图3，本发明实施例提供的一种基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤，包括温度传感单元10、置于温度传感单元10上的传热单元20以及将温度传感单元10及传热单元20封装于一体的封装层30。具体地，温度传感单元10包括柔性基底11、由下至上依次置于柔性基底11上的绝缘层12及过渡层13、置于过渡层13上且间隔设置的多个薄膜热电堆14以及封装各薄膜热电堆14的绝热保护层15，各薄膜热电堆14均具有传热区域141，传热单元20包括多个传热纤毛21，每个传热纤毛21对应固定于一薄膜热电堆14的传热区域141上，且每个传热纤毛21伸出绝热保护层15及封装层30外。
本发明实施例中，利用传热纤毛21可灵敏感应外面环境温度并传递给薄膜热电堆14，极大地缩短响应时间，提高响应速率，而且温度感知无需外部电流输入，信号传递无需与上下基板形成电路回路，结构简单,制作方便，利于批量、集成化制备；同时，测温部分采用薄膜热电堆14，提高输出电压与测温精度，在薄膜热电堆14外封装绝热保护层15，有效防止环境温度对测温准确性的干扰，同时也减少了柔性基底11及绝缘层12对薄膜热电堆14温度响应速率的影响，极大地降低了结构的热惯性，提高热电堆温度变化的响应速率，进而提高柔性电子皮肤的感知灵敏度；再者，薄膜热电堆14性能稳定，受光照和变形的影响小，应用于电子皮肤时，使电子皮肤具有更好的适用性及稳定性；进一步，可用于制备薄膜热电堆的材料种类多，使得其应用场所广泛，应用前景更好。
本实施例中，柔性基底11选择柔性的聚酰亚胺来制作，聚酰亚胺耐高温达400℃以上，长期使用温度范围-200～300℃，采用这种材料来制作基底，不仅提高了基底的可靠性，使其适用于各种环境场所，而且，这种材质柔性好、可拉伸，易变形，使得电子皮肤可应于机器、人体假肢、可穿戴设备等领域，适用性强。
参照图2，绝缘层12包括沉积于柔性基底11上的热绝缘层121以及沉积于热绝缘层121上的电绝缘层122。具体地，热绝缘层121为多孔硅层，或由氧化钇与氧化锆组成的热障涂层。电绝缘层122为SiO2层。设置热绝缘层121及电绝缘层122，将外部环境的热、电进行隔离，避免对薄膜热电堆14的测温发生干扰而影响测温的准确性。
本实施例中，过渡层13优选为Ta2O5层。
进一步地，参照图3，本实施例中，薄膜热电堆14为由多对薄膜热电偶串联形成的环状结构，传热区域141位于环状结构内。图中薄膜热电堆14为N-P薄膜热电偶对142串联形成。利用这种热电偶串联结构，使得输出电压更大，同时也提升了温度测量的精度。
本实施例中，绝热保护层15为SiO2层，由于SiO2导热性较差，有效防止了环境温度对薄膜热电堆14测量准确性的干扰，同时，防止由于薄膜热电堆14所附着的基底有较大的厚度、质量和热容量时，而引起薄膜热电堆14对温度的响应速度降低，从而，极大降低了结构的热惯性，提高了温度变化的响应速率。
本实施例中，参照图2、图3，传热纤毛21为采用高导热的碳纤维、石墨纤维、金属(如铜、银、铝等)或高分子材料制成的丝状物。在制作时，将上述材料制成的丝状物截取设定长度，利用导热粘结层22固定于薄膜热电堆14的传热区域141上，这样利用传热纤毛21将外面环境或气流的热量传递到薄膜热电堆14的传热区域141。本实施例中，封装层30采用具有柔、弹性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)材质，实现对上述各器件的保护以及对外部环境的电绝缘。
结合图4，本发明实施例还提供了一种上述柔性电子皮肤的制备方法，包括以下工艺步骤：
S1、制备温度传感单元10及传热单元20：
预备柔性基底11，于柔性基底11上由下至上依次沉积绝缘层12及过渡层13，于过渡层13上间隔沉积多个薄膜热电堆14，预备多个传热纤毛21，在每个薄膜热电堆14的传热区域141固定一传热纤毛21；于过渡层13上沉积用于封装各薄膜热电堆14的绝热保护层15，并使各传热纤毛21伸出绝热保护层15外。
具体地，在本步骤中，选择柔性的聚酰亚胺来制作柔性基底11，聚酰亚胺耐高温达400℃以上，长期使用温度范围-200～300℃，采用这种材料来制作基底，不仅提高了基底的可靠性，使其适用于各种环境场所，而且，这种材质柔性好、可拉伸，易变形，使得电子皮肤可应于机器、人体假肢、可穿戴设备等领域，适用性强。
然后于柔性基底11上制备多孔硅层来形成热绝缘层121，或者沉积由氧化钇与氧化锆组成的热障涂层来代替多孔硅层来实现隔热。再采用磁控溅射方式于热绝缘层121上沉积SiO2层作为电绝缘层122。设置热绝缘层121及电绝缘层122，将外部环境的热、电进行隔离，避免对薄膜热电堆14的测温发生干扰而影响测温的准确性。
再于SiO2层上沉积Ta2O5层作为过渡层13。
于Ta2O5层上沉积薄膜热电堆14，薄膜热电堆14由多对薄膜热电偶串联形成，薄膜热电偶为T型热电偶或S型热电偶或B型热电偶或E型热电偶或R型热电偶或K型热电偶。在沉积图形形成薄膜热电偶时，由设计制作的掩膜板的图案控制，其中，电路连接焊盘，统一集成在一侧。
在本步骤中，选择高导热的碳纤维、石墨纤维、金属(如铜、银、铝等)或高分子材料的丝状物作传热纤毛21。本实施例中，传热纤毛21优选为导热性能好的细铜丝。将铜丝截取为设定长度，利用导热粘结层22固定于各薄膜热电堆14的传热区域141上。
最后于过渡层13上沉积用于封装各薄膜热电堆14的SiO2层作为绝热保护层15，并使各传热纤毛21伸出绝热保护层15外。
S2、封装：将温度传感单元10及传热单元20封装为一体，且传热纤毛21伸出封装体外。
在本步骤中，利用具有柔、弹性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)将上述温度传感单元10及传热单元20封装为一体。本实施例中，优选采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)，按照主剂：硬化剂为10：1的质量或体积比例进行配制，然后充分混合搅拌后，抽真空去除气泡后，浇注在已制备的器件上，并在70℃加热1小时并凝固成型，完成电子皮肤的制备。采用PDMS或PET柔性材料，一体浇注成型，加工工艺简化；而且使电子皮肤具备柔性性能，适用于不同的结构曲面，可满足多种应用需求。
综上，采用上述制备方法制作来柔性电子皮肤，柔性电子皮肤结构简单，一体封装成型，便于集成化制备；且制作形成的电子皮肤柔性、弹性好，满足多种应用需求；同时，采用纤毛进行温度传感灵敏度高，精度准确，测温响应时间短，温度测量范围广。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤，包括温度传感单元、置于所述温度传感单元上的传热单元以及将所述温度传感单元及所述传热单元封装于一体的封装层，其特征在于：所述温度传感单元包括柔性基底、由下至上依次沉积于所述柔性基底上的绝缘层、过渡层、多个薄膜热电堆以及绝热保护层，所述传热单元包括多个分别固定于各所述薄膜热电堆的传热区域上并伸出所述绝热保护层及所述封装层外的传热纤毛。
2.根据权利要求1所述的基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤，其特征在于：所述绝缘层包括沉积于所述柔性基底上的热绝缘层以及沉积于所述热绝缘层上的电绝缘层。
3.根据权利要求1所述的基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤，其特征在于：各所述薄膜热电堆为由多对薄膜热电偶串联形成的环状结构，所述传热区域位于所述环状结构内。
4.根据权利要求1所述的基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤，其特征在于：所述传热纤毛为采用高导热碳纤维、石墨纤维、金属或高分子材料制成的丝状物。
5.根据权利要求1或4所述的基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤，其特征在于：所述传热纤毛通过导热粘结层固定于所述传热区域上。
6.一种基于权利要求1至5中任一项所述的基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：
制备温度传感单元及传热单元：
预备柔性基底，于所述柔性基底上由下至上依次沉积绝缘层、过渡层；
于所述过渡层上间隔沉积多个薄膜热电堆；
预备多个传热纤毛，在每个所述薄膜热电堆的传热区域固定一传热纤毛；
于所述过渡层上沉积用于封装各所述薄膜热电堆的绝热保护层，并使各所述传热纤毛伸出所述绝热保护层外；
封装：
将所述温度传感单元及所述传热单元封装为一体，且各所述传热纤毛伸出封装体外。
7.根据权利要求6所述的柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述柔性基底材料为聚酰亚胺或聚乙烯醇薄膜或聚酯薄膜。
8.根据权利要求6所述的柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述绝缘层包括沉积于所述柔性基底上的热绝缘层以及沉积于所述热绝缘层上的电绝缘层，所述热绝缘层为多孔硅层或由氧化钇与氧化锆组成的热障涂层，所述电绝缘层为SiO2层。
9.根据权利要求6所述的柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述薄膜热电堆由多对薄膜热电偶串联形成，所述薄膜热电偶为T型热电偶或S型热电偶或B型热电偶或E型热电偶或R型热电偶或K型热电偶。
10.根据权利要求6所述的柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述传热纤毛为采用高导热的碳纤维、石墨纤维、金属或高分子材料制成的丝状物。
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