CN108613757A - 一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法，属于柔性生物材料及电容式触觉传感器技术领域。依次由下柔性衬底、下透明电极、100～300μm厚的壳聚糖薄膜介电层、上透明电极和上柔性衬底组成。本发明所述器件为全透明柔性电容式触觉传感器，器件在受到微弱的力而发生微小形变的时候能够在材料内部产生较大的结构形变，进而输出相应的电容信号变化，从而降低器件的检测极限，有利于作为可穿戴触控装置监测微弱的信号变化，且易于集成n×m的传感器阵列。本发明采用生物材料作为介电层制作柔性电容式触觉传感器，有效的提升了器件的生物兼容性、环境友好性及光学透过性，更有利于应用在可穿戴电子领域。

Description

一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其 制备方法

技术领域

本发明属于柔性生物材料及电容式触觉传感器技术领域，具体涉及一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法。

背景技术

随着智能终端的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。传感器作为核心部件之一，将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点，使其成为最受关注的电学传感器之一。触觉传感器在人体健康监测及人工智能机器人领域发挥着至关重要的作用。近年来，人们已经在可穿戴可植入传感器领域取得了显著进步，例如利用电子皮肤向大脑传递皮肤触觉信息，利用三维微电极实现大脑皮层控制假肢，利用人工耳蜗恢复病人听力等。一个理想的柔性触觉传感器，除了性能优异、制备简单和成本低廉等要求外，还需具备生物兼容性及环境友好等特点。

根据信号转换原理，触觉传感器主要分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器。其中电容式传感器是将被测参数变换为电容量的测量装置，具有测量范围大、灵敏度高、动态响应时间短、功耗低等优点。对于电容式压力传感器，专利号为CN1961204A的专利公开了一种小型化、可靠性良好的电容式压力传感器的设计。专利号为CN103728061A的专利克服了电容容值变化难以采集的问题，测量的压力值精准稳定。

然而，上述专利其硬性衬底均不适用于应用在可穿戴电子系统中。而随着社会的发展，可穿戴式电子系统的需求必将会越来越大。因此迫切需要发明一种柔性电容式压力传感器应用在触觉传感领域。中科院化学所狄重安等人(Nature Communication 2015,6,6269)制造了以纯空气作为介电层的柔性压力传感器，灵敏度达到空前的192kPa^-1。此外，制备好的器件还显示出10ms的短响应时间和0.5Pa的检测下限压力。然而，空气的低介电常数可导致小的电容值和差的抗干扰能力。这些柔性电容式压力传感器虽然具有工艺简单、成本低、小尺寸等优点，但也存在着生物兼容性差、迟滞大等缺点。

为此，需要发明出一种既具有柔性、高灵敏、快响应、稳定好等特性，同时能够具有良好生物兼容性可与皮肤完美接触随身穿戴的柔性电容式触觉传感器。

发明内容

本发明的目的是制备一种更快响应速度、更高灵敏度、生物兼容性好的基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法，该器件利用生物材料壳聚糖作为传感器的介电材料，利用衬底和电极的透明特性制作成了柔性透明生物兼容的电容式触觉传感器。制备所述的柔性透明生物兼容的电容式触觉传感器的方法，利用表面沉积法在柔性衬底表面沉积一层透明电极，将生物材料壳聚糖旋涂在电极表面作为传感器介电层，在介电层表面沉积一层透明的电极并覆盖柔性衬底形成柔性透明的触觉传感器，如图1所示，通过感知外界微弱压力的变化表现为自身的电容的变化，进而应用于可穿戴电子领域。

为了实现上述目的，本发明设计了一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，由下至上依次由下柔性衬底、下透明电极、介电层、上透明电极和上柔性衬底组成，下透明电极和上透明电极由导线引出；其特征在于：介电层为生物材料壳聚糖薄膜，其厚度范围为100～300μm。

本发明所述的一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器的制备方法，其步骤如下：

(1)将厚度40～80μm的柔性材料(聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲酸乙二醇酯(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨基甲酸酯(PU)等)分别用丙酮、乙醇、水依次超声清洗柔性衬底表面10～20分钟，烘干得到柔性薄膜；

(2)制备壳聚糖溶液：将1.0～2.5g壳聚糖溶于100mL水中，随后滴加1.0～2.5g的冰醋酸，在600～1000rpm转数下搅拌5～12小时，然后用直径为10～22μm的过滤针筒过滤，得到纯的壳聚糖溶液；

(3)以步骤(1)得到的柔性薄膜作为下柔性衬底，在其表面上通过表面沉积法沉积得到一层氧化铟锡(ITO)透明电极，作为下透明电极层，其厚度为30～50nm；

(4)将步骤(2)得到的壳聚糖溶液在1000～1500rpm的速度下旋涂在步骤(3)得到的下透明电极层上，室温条件下干燥得到厚度为100～300μm的壳聚糖薄膜介电层；

(5)在步骤(4)得到的壳聚糖薄膜介电层表面再通过表面沉积法沉积得到一层氧化铟锡(ITO)透明电极，作为上透明电极层，其厚度为30～50nm；

(6)将下透明电极层和上透明电极层由导线引出；

(7)在步骤(5)得到的上透明电极层的表面上覆盖上另一片由步骤(1)制备得到的柔性薄膜，作为上柔性衬底，从而得到本发明所述的基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性透明电容式触觉传感器。

其中，上述步骤(2)中所述的透明生物材料为壳聚糖。壳聚糖溶液是通过壳聚糖与冰醋酸混合在溶液中搅拌制备而成。将壳聚糖溶液用10～22μm的过滤针筒过滤，之后滴加在氧化铟锡/聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO/PET)柔性衬底上旋转涂覆，最后将另外一层氧化铟锡/聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO/PET)柔性衬底覆盖在壳聚糖薄膜上用来封装器件，进而组装成柔性电容式触觉传感器。

本发明所述器件利用生物材料壳聚糖薄膜作为介电材料，透明电极氧化铟锡(ITO)作为上下电极层，透明塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为柔性衬底，使得器件为全透明柔性电容式触觉传感器，同时器件在受到微弱的力而发生微小形变的时候也能够在材料内部变现为产生较大的结构形变，进而输出相应的电容信号变化，从而降低器件的检测极限，有利于作为可穿戴触控装置监测微弱的信号变化，同时，所制备柔性器件易于集成n×m的传感器阵列。

上述柔性衬底可为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、二甲酸乙二醇酯(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨基甲酸酯(PU)等透明塑料衬底，透明电极可替换为石墨烯、银纳米线透明电极等，均可以通过表面沉积法制备在柔性衬底表面。

本发明与现有技术相比具有以下特点和优点：

(1)介电材料的制备方法简单环保且成本低，整个制备过程均在常温下进行；

(2)生物材料具有很好的生物兼容性，具有很好的可降解性，有利于应用在可穿戴电子领域；

(3)本发明制备的壳聚糖薄膜可根据需要对其厚度随意进行控制；

(4)器件的制作流程易于操作，具有好的生物兼容特性，并能够随时转移到需要组装的器件衬底上，可根据需要任意制作n×m的传感器阵列，进一步制作成可穿戴触控装置。

附图说明：

图1：本发明所述的柔性电容式触觉传感器结构示意图；

各部分名称为：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)下柔性衬底1，采用表面沉积法在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)下柔性衬底1表面沉积的50nm厚的氧化铟锡(ITO)下透明电极层2，在氧化铟锡(ITO)下透明电极层2上旋涂一层壳聚糖薄膜3介电层，在壳聚糖薄膜3上再采用表面沉积法沉积的50nm厚的氧化铟锡(ITO)上透明电极层4，在氧化铟锡(ITO)上透明电极层4上表面覆盖的PET上柔性衬底5。

图2：本发明实施例1制备的壳聚糖薄膜的光学图片；

图3：本发明实施例1制备的柔性电容式触觉传感器的光学图片；

图4：本发明实施例1制备的电容式传感器电容变化与压强变化关系曲线；

图5：本发明实施例2制备的电容式传感器电容变化与压强变化关系曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

与传统材料相比，生物材料通常可以同时具有传统材料结构上的一些特性，而且还可能展现出一些独特生物学的性能。因此，要获得同时具备高性能、低成本和高生物兼容等优点的柔性透明电容式触觉传感器，可以把生物材料的结构和生物功能性相结合，以期望将这些优点集于一身。

实施例1：

(1)购买商用厚度为60μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，分别用丙酮、乙醇、水依次超声清洗10分钟，烘干柔性薄膜；

(2)制备壳聚糖溶液：将2g壳聚糖溶于100mL水中，随后滴加1g冰醋酸，在120rpm下搅拌12小时，然后用直径为22μm的过滤针筒过滤，得到纯的壳聚糖溶液；

(3)将步骤(1)得到的柔性薄膜作为下柔性衬底，在其表面上通过表面沉积法得到一层氧化铟锡(ITO)透明电极，作为下透明电极层，下透明电极层厚度为40nm，制成氧化铟锡/聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO/PET)透明薄膜；

(4)将步骤(2)得到的壳聚糖溶液旋涂在氧化铟锡/聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO/PET)薄膜的氧化铟锡(ITO)表面，初始转速设定为500rpm旋转5秒钟后，再设定转速为1200rpm旋转25秒。得到的壳聚糖薄膜待自然干燥4小时后，再放在真空烘箱中在室温下抽真空30分钟，得到壳聚糖薄膜的厚度是100μm，如图2所示；

(5)在步骤(4)得到的介电材料壳聚糖薄膜表面再通过表面沉积法沉积一层氧化铟锡(ITO)透明电极，作为上透明电极层，上透明电极层厚度为40nm；

(6)将下透明电极层和上透明电极层由导线引出；

(7)在步骤(5)得到的上透明电极层的表面上覆盖上另一片步骤(1)得到的柔性薄膜，作为上柔性衬底，从而得到本发明所述的基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，如图3所示。

实施例2：

(1)购买商用厚度为50μm的二甲酸乙二醇酯(PI)，分别用丙酮、乙醇、水依次超声清洗10分钟，烘干柔性薄膜；

(2)制备壳聚糖溶液：将2g壳聚糖溶于100mL水中，随后滴加1g冰醋酸，在120rpm下搅拌12小时，然后用直径为22μm的过滤针筒过滤，得到纯的壳聚糖溶液；

(3)将步骤(1)得到的柔性薄膜作为下柔性衬底，在其表面上通过表面沉积法得到一层氧化铟锡(ITO)透明电极，作为下透明电极层，下透明电极层厚度为40nm，制成氧化铟锡/二甲酸乙二醇酯(ITO/PI)薄膜；

(4)将步骤(2)得到的壳聚糖溶液旋涂在氧化铟锡/二甲酸乙二醇酯(ITO/PI)薄膜的氧化铟锡(ITO)表面，初始转速设定为500rpm旋转5秒钟后，再设定转速为1200rpm旋转25秒。得到的壳聚糖薄膜待自然干燥4小时后，再放在真空烘箱中在室温下抽真空30分钟，得到厚度为100μm的壳聚糖薄膜；

(5)在步骤(4)得到的介电材料壳聚糖薄膜表面再通过表面沉积法沉积一层氧化铟锡(ITO)透明电极，作为上透明电极层，上透明电极层厚度为40nm；

(6)将下透明电极层和上透明电极层由导线引出；

(7)在步骤(5)得到的上透明电极层的表面上覆盖上另一片步骤(1)得到的柔性薄膜，作为上柔性衬底，从而得到本发明所述的基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器。

电容传感器的性能测试：

测试选取安捷伦公司生产的4990A阻抗分析仪，测试参数为交流电压500mV，交流频率为1M Hz。将器件两端与上透明电极层和与下透明电极层分别连接的导线与测试仪器相连，通过对传感器表面施加不同的压强导致器件两端极板间距不同，进而使得器件的电容发生变化，如图4所示柔性电容式触觉传感器随压强变化的灵敏度。从图中可以看出，电容式触觉传感器表现出对宽范围压力的传感性能，随着压力的提升，元件的灵敏度增加，且在低压0～500Pa区域，触觉传感器表现出较好的线性，同时还可将柔性器件制成n×m的电容触摸板。相似的结果在实施例2中也可应用，如图5所示。此外本发明组装的柔性电容式触觉传感器对于微弱的压力具有极高的灵敏度，且具有高度的透明性。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，由下至上依次由下柔性衬底、下透明电极、介电层、上透明电极和上柔性衬底组成，下透明电极和上透明电极由导线引出；其特征在于：介电层为生物材料壳聚糖薄膜，其厚度范围为100～300μm。

2.如权利要求1所述的一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，其特征在于：柔性衬底的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚氨基甲酸酯。

3.如权利要求1所述的一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，其特征在于：透明电极的材料为氧化铟锡。

4.如权利要求1所述的一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，其特征在于：下柔性衬底和上柔性衬底的厚度为40～80μm，下透明电极层和上透明电极层的厚度为30～50nm，介电层的厚度为100～300μm。

5.权利要求1～4任何一项所述的一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器的制备方法，其步骤如下：

(1)将柔性材料分别用丙酮、乙醇、水依次超声清洗柔性衬底表面10～20分钟，烘干得到柔性薄膜；

(2)制备壳聚糖溶液：将1.0～2.5g壳聚糖溶于100mL水中，随后滴加1.0～2.5g的冰醋酸，在600～1000rpm转数下搅拌5～12小时，然后用直径为10～22μm的过滤针筒过滤，得到纯的壳聚糖溶液；

(3)以步骤(1)得到的柔性薄膜作为下柔性衬底，在其表面上通过表面沉积法沉积得到一层透明电极，作为下透明电极层；

(4)将步骤(2)得到的壳聚糖溶液在1000～1500rpm的速度下旋涂在步骤(3)得到的下透明电极层上，室温条件下干燥得到壳聚糖薄膜介电层；

(5)在步骤(4)得到的壳聚糖薄膜介电层表面再通过表面沉积法沉积得到一层透明电极，作为上透明电极层；

(6)将下透明电极层和上透明电极层由导线引出；

(7)在步骤(5)得到的上透明电极层的表面上覆盖上另一片由步骤(1)制备得到的柔性薄膜，作为上柔性衬底，从而得到基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性透明电容式触觉传感器。