CN108593167B - 一种同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了提供了一种同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤，包括下基底，电极，敏感材料，上基底；导电电极设于下基底上；敏感材料设于电极上，所述敏感材料为柔性附着层上生长的气敏材料，用于同时检测压力和气敏；上基底设于敏感材料上，该电子皮肤能在一个数据信号中同时感知压力刺激和气敏刺激，两种刺激之间没有干扰；通过独特的制备工艺将敏感材料生长在柔性材料上，再按照特定的制作方式制作该多功能柔性电子皮肤，传感器的力的测试性能优异，性能稳定，气敏性能优异，灵敏度高，重复性好，传感器制作方法简单，材料来源简单且价格低廉。

Description

一种同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤及其制备方法。
背景技术
机器人，它的任务是协助或取代人类工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。通过各类传感器集成，机器人实现了诸如视觉、听觉、触觉、嗅觉等功能。但是，如何像人类一样在一个器官中同时拥有多种感知功能，一直以来都是机器人系统所面临的挑战性问题之一。
电子皮肤的诞生为解决这一问题提供了有效的解决路径，其结构简单，可被加工成各种形状，能像衣服一样附着在设备表面，能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。尽管报道了各式各样的多功能电子皮肤，但都是单一传感器独立检测后集成的，一个数据信号只是一种感知信息，例如将单一的气敏传感器与单一的压力传感器集成，分两个信号同时感知气敏与压力信息。嗅觉和触觉作为肌体重要的感知方式，很难在一个信号中同时感知，因为气敏材料多为金属氧化物半导体和少数高分子，这些材料的应变极限不高，在基底发生小变形时会因为材料本身的结构被破坏而丧失气敏性能。因此，尽管研发难度大，但非常有必要研发一种具备多感知能力的多功能电子皮肤，在一个信号中同时感知不同类型的刺激。
发明内容
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤及其制备方法，解决了现有电子皮肤不能在一个信号中同时感知压力与气敏的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤，包括下基底和/或上基底，电极以及敏感材料；
若存在所述下基底，则导电的所述电极设于所述下基底上；
所述敏感材料设于所述电极上，所述敏感材料为柔性附着层上生长的气敏材料，用于同时检测压力和气敏；若存在所述上基底，则所述上基底设于所述敏感材料上。
优选地，所述柔性附着层为无尘布，所述气敏材料为聚苯胺，所述敏感材料为无尘布上生长的聚苯胺，用于同时检测压力和不同浓度的NH3。
优选地，所述气敏材料由所述聚苯胺置换为包括金属氧化物半导体或高分子半导体的其他气敏半导体材料，从而检测其他气体成分。
优选地，所述柔性附着层由所述无尘布置换为包括PDMS、柔性无机材料、柔性高分子材料之一的其他柔性材料。
优选地，所述下基底为透气无纺胶布，其粘接面朝上；
或者所述下基底还可以是包括棉布、涤纶布、刚性网之一或其组合的、不影响传感器功能的其他透气材料。
优选地，所述电极为导电胶布，其粘接面朝下；
或者所述电极还可以是包括金、铂、银、镍、铜、碳纳米管、石墨烯任意组合成的高导电性的复合材料。
优选地，所述上基底为薄纱布；
或者所述上基底还可以是包括棉布、涤纶布、刚性网之一或其组合的、不影响传感器功能的其他透气材料。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种如前所述的同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤的制备方法，以无尘布上生长的聚苯胺作为敏感材料为例，包括以下步骤：
S1、无尘布的前处理：先用乙醇超声5-30分钟，再用去离子水超声5-30分钟，再用乙醇超声5-30分钟，40-80℃烘干；
S2、合成前苯胺的处理：苯胺单体按照1：150-1:200的体积比加入到1M的HCl溶液中，超声5-30分钟，置于0℃冰箱中预冷1-5小时；
S3、合成前过硫酸铵的处理：将过硫酸铵按照1：50-1:100的质量体积比g：ml加入到1M的HCl溶液中，超声5-30分钟，置于0℃冰箱预冷1-5小时；
S4、合成过程：室温下将过硫酸铵溶液逐滴滴到苯胺单体溶液中，再将无尘布放入反应溶液中，再在0℃反应10-40分钟；
S5、后处理：然后，取出无尘布用1M盐酸溶液和乙醇各清洗3次，并于40-80℃烘箱中烘干；
S6、安装过程：最后，由下至上依次安装所述电子皮肤的各组件，组成传感器。
为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种如前所述的同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤的制备方法，以无尘布上生长的氧化锡作为敏感材料为例，所述聚苯胺置换为金属氧化物半导体材料中的氧化锡，该制备方法包括以下步骤：
S1、无尘布的前处理：先用乙醇超声5-30分钟，再用去离子水超声5-30分钟，再用乙醇超声5-30分钟，40-80℃烘干；
S2、合成前SnCl2的处理，称取SnCl2·2H2O溶解于蒸馏水中配成浓度为0.05ml/L的溶液,向其中加入NaOH，其与SnCl2的摩尔比为4:1，在室温下经磁力搅拌20分钟充分混合；
S3、合成过程：室温下将配好的溶液倒入反应釜中，再将无尘布放入反应溶液中，再在180℃反应12-24小时；
S4、后处理：然后，取出无尘布用1M盐酸溶液和乙醇各清洗3次，并于40-80℃烘箱中烘干；
S5、安装过程：最后，由下至上依次安装所述电子皮肤的各组件，组成传感器。
优选地，如前第二方面和第三方面所述的同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤的制备方法，所述柔性附着层由所述无尘布置换为包括PDMS、柔性无机材料、柔性高分子材料之一的其他柔性材料。
上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明设计的多功能柔性电子皮肤，气敏材料附着在柔性附着层上，该电子皮肤能在一个数据信号中同时感知压力刺激和气敏刺激，两种刺激之间没有干扰；
2、通过独特的制备工艺将敏感材料生长在柔性材料上，再按照特定的制作方式制作该多功能柔性电子皮肤，传感器的力的测试性能优异，性能稳定，气敏性能优异，灵敏度高，重复性好，传感器制作方法简单，材料来源简单且价格低廉；
3、本发明的电子皮肤及其制备工艺既适用于有机敏感材料，又适用于无机半导体材料，应用范围广泛；
4、本发明的电子皮肤可用于对人体生理信号的检测，包括关节弯曲、鼻翼运动等，同时能像鼻子一样感知空气中的敏感气体。
附图说明
图1为本发明实施例1的同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤的结构原理图；
图2为本发明实施例2的同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤的制备方法流程图(以无尘布上生长的聚苯胺作为敏感材料为例)；
图3为本发明实施例3的同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤的制备方法流程图(以无尘布上生长的氧化锡作为敏感材料为例)；
图4为敏感材料的微观形貌图；
图5为压力响应关系曲线图；
图6为不同压力下的重复性性能示意图；
图7为大小恒定不同频率压力下的重复性性能示意图；
图8为压力响应性能示意图；
图9为2000循环压力稳定性性能示意图；
图10为不同浓度敏感气体的气敏响应性能示意图；
图11为同浓度敏感气体的气敏响应重复性性能示意图；
图12为其他常见气体的选择性性能示意图；
图13为气敏响应不同阶段的压力刺激性能示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
实施例1
作为本发明的一种较佳实施方式，如图1所示，本发明提供一种同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤，包括下基底1，电极2，敏感材料3和上基底4；组装方式为：下基底1的粘接面朝上，电极2的粘接面朝下，电极2粘接在下基底1上，敏感材料3放在电极2上使电极3与敏感材料3相接触，上基底4放在敏感材料3上。敏感材料3为柔性附着层上生长的气敏材料，用于同时检测压力和气敏。电极2与测量仪器连接，当上基底4收到压力刺激且电子皮肤处于敏感气体环境中时，该敏感材料同时感知压力刺激和气敏刺激，由于气敏材料的附着层为具有一定抗压强度的柔性材料，压力刺激不会破坏气敏材料的组织结构和气敏性能，而气敏材料的可控受压又能输出相应的压力电信号，因此电极同一个数据信号所感知的两种刺激之间没有干扰。
所述下基底1为透气无纺胶布，其粘接面朝上；还可以是不影响传感器功能的其他透气材料，如棉布、涤纶布、刚性网等。所述电极2为导电胶布，其粘接面朝下；还可以是其他电极，如采用金、铂、银、镍、铜、碳纳米管、石墨烯等组成的高导电性的复合材料。所述上基底4为薄纱布；还可以是其他透气材料，如棉布、涤纶布、刚性网等。
所述敏感材料3可以为有机敏感材料，典型的是聚苯胺，具体为无尘布上生长的聚苯胺，用于同时检测压力和不同浓度的NH3；还可以是其他气敏半导体敏感材料，如金属氧化物半导体或高分子半导体，从而检测其他气体成分，典型的金属氧化物半导体敏感材料为氧化锡。
所述无尘布还可以置换为其他柔性材料，如PDMS、柔性无机材料、柔性高分子材料等。
本实施例中，下基底和上基底的主要作用在于保护敏感材料，不是必须同时具备，经过性能检测，二者皆有、有其中一个或都没有，对敏感材料的性能影响不大。
实施例2
作为本发明的第二种较佳实施方式，如图2所示，本发明还提供了一种如前所述的同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤的制备方法，以无尘布上生长的聚苯胺作为敏感材料为例，包括以下步骤：
S1、无尘布的前处理：先用乙醇超声5-30分钟，再用去离子水超声5-30分钟，再用乙醇超声5-30分钟，40-80℃烘干；
S2、合成前苯胺的处理：苯胺单体按照1：150-1:200的体积比加入到1M的HCl溶液中，超声5-30分钟，置于0℃冰箱中预冷1-5小时；
S3、合成前过硫酸铵的处理：将过硫酸铵按照1：50-1:100的质量体积比g：ml加入到1M的HCl溶液中，超声5-30分钟，置于0℃冰箱预冷1-5小时；
S4、合成过程：室温下将过硫酸铵溶液逐滴滴到苯胺单体溶液中，再将无尘布放入反应溶液中，再在0℃反应10-40分钟；
S5、后处理：然后，取出无尘布用1M盐酸溶液和乙醇各清洗3次，并于40-80℃烘箱中烘干；
S6、安装过程：最后，由下至上依次安装所述电子皮肤的各组件，组成传感器。
通过独特的制备工艺，所得到的敏感材料3的微观形貌如图4所示，图4a-b分别表示无尘布纤维的低分辨与高分辨下的表面形貌，说明该纤维的排列是稳定有序的。图4c-d分别表示聚苯胺的低分辨与高分辨下的表面形貌，说明生成的聚苯胺形貌是稳定的。
参考图5-9，I为实时电流，I0为基线电流。对制作好的一种能同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤，其压力响应曲线稳定平滑，无明显波动(见图5)，不同压力下的重复性性能优异，敏感度无明显变化(见图6)，同一压力不同频率下的重复性性能优异，敏感度无明显变化(见图7)，压力的响应时间、恢复时间短，分别为0.4s、0.2s(见图8)，重复稳定性性能优异，2000循环压力下敏感度无明显变化(见图9)。
参考图10-12，R为实时电阻，R0为基线电阻。对制作好的一种能同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤，其对敏感气体的响应梯度性好(见图10)，对敏感气体的响应稳定性优异(见图11)，对敏感气体的响应选择性优异(见图12)。
参考图13(a-e)，R为实时电阻，R0为基线电阻。对制作好的一种能同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤，在一个数据信号中能同时检测压力和敏感气体的气敏性能(a)，相互之间无干扰。无论在气敏测试的准备期(b)、响应前期(c)、响应后期(d)、恢复前期(e)、恢复后期(f)，压力信号对整体的气敏信号均无干扰。
通过独特的制备工艺将聚苯胺敏感材料生长在无尘布上，再按照特定的制作方式制作该多功能柔性电子皮肤，传感器的力的测试性能优异，性能稳定，气敏性能优异，灵敏度高，重复性好，传感器制作方法简单，材料来源简单且价格低廉。
实施例3
本发明的电子皮肤及其制备工艺既适用于有机敏感材料，又适用于无机半导体材料，应用范围广泛。
作为本发明的第三种较佳实施方式，如图3所示，本发明还提供了一种如前所述的同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤的制备方法，以无尘布上生长的氧化锡作为敏感材料为例，所述聚苯胺置换为金属氧化物半导体材料中的氧化锡，该制备方法包括以下步骤：
S1、无尘布的前处理：先用乙醇超声5-30分钟，再用去离子水超声5-30分钟，再用乙醇超声5-30分钟，40-80℃烘干；
S2、合成前SnCl2的处理，称取SnCl2·2H2O溶解于蒸馏水中配成浓度为0.05ml/L的溶液,向其中加入NaOH，其与SnCl2的摩尔比为4:1，在室温下经磁力搅拌20分钟充分混合；
S3、合成过程：室温下将配好的溶液倒入反应釜中，再将无尘布放入反应溶液中，再在180℃反应12-24小时；
S4、后处理：然后，取出无尘布用1M盐酸溶液和乙醇各清洗3次，并于40-80℃烘箱中烘干；
S5、安装过程：最后，由下至上依次安装所述电子皮肤的各组件，组成传感器。
进一步的，实施例2和实施例3中的无尘布还可以置换为其他柔性材料，如PDMS、柔性无机材料、柔性高分子材料等，相应的工艺步骤对应调整即可。
与现有技术相比，本发明的积极效果在于：同一传感器能同时感知压力与气敏性能，相互之间无干扰；同时制备方法简单，材料来源简单价格低廉、传感器性能的稳定性好、灵敏度高。
本发明的一种能同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤可用于对人体生理信号的检测，包括关节弯曲、鼻翼运动等，同时能像鼻子一样感知空气中的敏感气体。
本领域的技术人员容易理解，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 (2)

1.一种同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤，其特征在于：包括下基底(1)、电极(2)以及敏感材料(3)；
导电的所述电极(2)设于所述下基底(1)上；
所述敏感材料(3)设于所述电极(2)上，所述敏感材料为无尘布上生长的聚苯胺，用于同时检测压力和不同浓度的NH3；
所述的同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤，采用如下方法进行制备，包括以下步骤：
S1、无尘布的前处理：先用乙醇超声5-30分钟，再用去离子水超声5-30分钟，再用乙醇超声5-30分钟，40-80℃烘干；
S2、合成前苯胺的处理：苯胺单体按照1∶150-1∶200的体积比加入到1M的HCl溶液中，超声5-30分钟，置于0℃冰箱中预冷1-5小时；
S3、合成前过硫酸铵的处理：将过硫酸铵按照1∶50-1∶100的质量体积比g∶ml加入到1M的HCl溶液中，超声5-30分钟，置于0℃冰箱预冷1-5小时；
S4、合成过程：室温下将过硫酸铵溶液逐滴滴到苯胺单体溶液中，再将无尘布放入反应溶液中，再在0℃反应10-40分钟；
S5、后处理：然后，取出无尘布用1M盐酸溶液和乙醇各清洗3次，并于40-80℃烘箱中烘干；
S6、安装过程：最后，由下至上依次安装所述电子皮肤的各组件，组成传感器。
2.一种同时感知压力与气敏的柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、无尘布的前处理：先用乙醇超声5-30分钟，再用去离子水超声5-30分钟，再用乙醇超声5-30分钟，40-80℃烘干；
S2、合成前苯胺的处理：苯胺单体按照1∶150-1∶200的体积比加入到1M的HCl溶液中，超声5-30分钟，置于0℃冰箱中预冷1-5小时；
S3、合成前过硫酸铵的处理：将过硫酸铵按照1∶50-1∶100的质量体积比g∶ml加入到1M的HCl溶液中，超声5-30分钟，置于0℃冰箱预冷1-5小时；
S4、合成过程：室温下将过硫酸铵溶液逐滴滴到苯胺单体溶液中，再将无尘布放入反应溶液中，再在0℃反应10-40分钟；
S5、后处理：然后，取出无尘布用1M盐酸溶液和乙醇各清洗3次，并于40-80℃烘箱中烘干；
S6、安装过程：最后，由下至上依次安装所述电子皮肤的各组件，组成传感器；其中所述电子皮肤包括下基底(1)、电极(2)以及敏感材料(3)；导电的所述电极(2)设于所述下基底(1)上；所述敏感材料(3)设于所述电极(2)上，所述敏感材料为所制备的无尘布上生长的聚苯胺，用于同时检测压力和不同浓度的NH3。
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