CN109259891B - 一种测量压力的电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器领域，并公开了一种测量压力的电子皮肤及其制备方法。该电子皮肤包括上半部分和下半部分，下半部分包括下基底和电极，下基底是电极的载体；上半部分设置在下部分的上方，该上部分上包括上基底和导电层，该上基底的下表面设置有高度呈阶梯分布的凸起，该凸起的表面附着一层导电层，上半部分上表面受到外界压力使得凸起与电极接触，以此在电极之间产生电流，通过测量该电流的大小获知外界压力的大小，其中，高度呈阶梯分布的凸起在受到大小不同的外界压力时，与电极接触的接触面积不同，从而使得电极之间产生的电流不同。通过本发明，提供的电子皮肤测试性能优异稳定，重复性好，制作方法简单，材料来源简单且价格低廉。

Description

一种测量压力的电子皮肤及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器领域，更具体地，涉及一种测量压力的电子皮肤及其制备方法。

背景技术

柔性压力传感器是一种用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件，能贴附于各种不规则物体表面，在医疗健康、机器人、生物力学等领域有着广泛的应用前景。但是，如何让柔性压力传感器具备广域的测量范围，一直以来都是具有压力测量能力的电子皮肤面临的挑战性问题之一。

尽管报道了各式各样的柔性压力，但检测的范围有限，如测量呼吸的压力传感器，对轻微的力响应大。测量脉搏的压力传感器，检测的压力稍大。检测足压的传感器，检测的压力更大。表面微凸起的形状与高度直接决定了压力检测的范围。因此，如何设计柔性薄膜模板，使柔性薄膜能具有不同的高度的微凸起，是制备具有广域压力测量范围的电子皮肤的关键问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种测量压力的电子皮肤及其制备方法，通过将压电皮肤分为上下两个部分，上部分的上基底上设置有高度呈阶梯分布的凸起，通过凸起于电极接触产生电流，其中通过调整凸起的高度以及不同凸起之间的高度差实现调整接触面积的范围，以此调整测量量程，同时，由于凸起存在高度差，外力小时使得凸起与电极接触面积小，外力大时，其与电极的接触面积增大，因此，本发明的电子皮肤即可用于测量大的外力，也可测量小的外力，即测量量程大，适用范围广。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种测量压力的电子皮肤，其特征在于，该电子皮肤包括上半部分和下半部分，其中：

所述下半部分包括下基底和电极，所述下基底是所述电极的载体，采用非导电材料；所述上半部分设置在所述下部分的上方，该上部分上包括上基底和导电层，该上基底的下表面设置有高度呈阶梯分布的凸起，该凸起的表面附着一层所述导电层,在所述电极两端加载测试电压，当所述上半部分上表面受到不同大小的外界压力时，所述凸起与所述电极接触面积变化，所述电极之间将产生的电流变化，通过测量该电流变化获知所述外界压力的大小。

进一步优选地，所述上基底优选采用柔性无机材料或柔性高分子材料，例如聚二甲基硅氧烷，橡胶，蛋白质，水凝胶等。

进一步优选地，所述高度呈阶梯分布的凸起中，不同的凸起之间的高度差的取值范围优选为100微米以内。

按照本发明的另一方面，提供了一种如上述所述的电子皮肤的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)采用模具制备下表面设置有高度呈阶梯分布凸起的所述上基底；

(b)在所述凸起的表面上附着一层导电层，即获得所述压电皮肤上半部分；

(c)选取下基底和电极，将所述电极放置在所述下基底上，即获得所述压电皮肤的下半部分，将所述上半部分放置在所述下半部分上即获得所述压电皮肤。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述模具优选按照下列方法制备：

(a1)选取表面设置有高度呈阶梯分布凸起的凸模，上基底的原材料；

(a2)将所述上基底的原材料熔融为液态，将该液态的上基底原材料倒在所述凸模上，待所述液态的上基底原材料凝固后将其与所述凸模分离，该凝固的上基底原材料即为所述模具。

进一步优选地，在步骤(a1)中，所述凸模优选采用荷叶或砂纸。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述导电层优选按照下列方式制备：

(b1)分别配置PH为8.5～9.5的聚乙烯亚胺和氧化石墨烯溶液；

(b2)将所述上基底先后在所述聚乙烯亚胺和氧化石墨烯溶液中浸泡，重复多次后取出，烘干即在所述上基底的凸起上获得所需的导电层。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述导电层优选采用蒸镀的方式在所述凸起上制备。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过调整凸起的高度以及不同凸起之间的高度差，可实现接触面积范围的调整，以此实现电子皮肤的测量量程可调；

2、本发明提供的电子皮肤，上基底上设置的高度呈阶梯分布，传感器力的性能优异稳定，灵敏度高，重复性好；

3、本发明的电子皮肤可用于检测呼吸、声带、脉搏、心跳等微弱的压力信号，同时能检测按压、足压等大的压力信号，且结构简单，制备成本低，适用范围广。

附图说明

图1为按照本发明的优选实施例测量压力的电子皮肤的结构原理图；

图2为按照本发明的优选实施例测量压力的电子皮肤的制备方法流程图；

图3为按照本发明的优选实施例2的广域测量压力的电子皮肤的制备方法流程图；

图4为按照本发明的优选实施例2的广域测量压力的电子皮肤的制备方法流程图；

图5为按照本发明的优选实施例所构建的导电层材料的微观形貌图；

图6为按照本发明的优选实施例所构建的不同目数的砂纸制备的广域测量压力的电子皮肤的压力响应关系曲线图；

图7为按照本发明的优选实施例所构建的10000次循环压力稳定性性能示意图；

图8为按照本发明的优选实施例所构建的测量压力的电子皮肤测量呼吸压力的性能示意图；

图9为按照本发明的优选实施例所构建的测量压力的电子皮肤测量脉搏压力的性能示意图；

图10为按照本发明的优选实施例所构建的测量压力的电子皮肤测量足底压力的性能示意图；

图11为按照本发明的优选实施例所构建的电子皮肤实物示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-下基底，2-电极，3-导电层、4-上基底4，5-封装胶布

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。

一种广域测量压力的电子皮肤，如图1和11所示，电子皮肤包括下基底1，电极2，导电层3、上基底4和封装胶布5；组装方式为：电极2粘接在下基底1上，导电层3生长在上基底4上，导电层3位于电极2之上上基底4之下，封装胶布覆盖在下基底1、上基底4之上。

基于砂纸模板制造的上基底4，表面具有密集的、不同高度尺寸的微凸起。导电层3附于上基底4的微凸起上。当上基底4收到压力时，这些微小的凸起发生形变，接触电阻会发生变化。因为这些微小的凸起具有不同的尺寸，在不同的压力大小下，都会引起电阻的变化，从而能在大的压力范围内检测不同的外界压力。

优选地，所述柔性附着层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，所述压敏材料为石墨烯，用于检测压力。

所述下基底1为PE膜；还可以是不影响传感器功能的其他柔性材料，如PDMS、柔性无机材料、柔性高分子材料等。

所述电极2为Au；还可以是其他电极，如采用铂、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为以砂纸为模板制备的PDMS膜；还可以是其他模板制备的PDMS膜，或者是其他柔性材料，如柔性无机材料、柔性高分子材料等。

所述导电层3可以为导电材料，典型的是石墨烯；还可以是其他导电材料包括碳纳米管、导电金属、导电高分子等其他导电材料。

封装胶布5主要作用在于保护导电层，不是必须具备，经过性能检测，有或没有，对导电层的性能影响不大。

下面将结合具体的实施例说明本发明的电子皮肤的制备方法。

实施例1

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广域测量压力的电子皮肤的制备方法，以砂纸为模板制备微凸起，石墨烯作为压电层为例，包括以下步骤：

S1.砂纸的前处理：乙醇超声5分钟，再用去离子水超声5分钟，烘干。

S2.第一次倒模处理：将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在洗净的砂纸表面，烘干之后，揭下并洗净烘干聚二甲基硅氧烷薄膜。

S3.第二次倒模处理：将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在洗净的一次聚二甲基硅氧烷模具中，烘干之后，再揭下并洗净烘干，获得聚二甲基硅氧烷薄膜。

S4.石墨烯的前处理：将聚乙烯亚胺用稀盐酸配置成pH为9.0的溶液，将氧化石墨烯用氨水配置成pH为9.0的悬浮液。

S5.多层组装处理：将二次倒模获得的聚二甲基硅氧烷薄膜先浸泡在聚乙烯亚胺溶液中，15分钟后取出，用去离子水冲洗干净再用氮气吹干；然后在氧化石墨烯悬浮液中浸泡15分钟后取出，并用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；重复上述过程十次。最后将多层组装后的样品用水合肼蒸汽，在90℃下处理三小时。

S6.安装过程：将步骤S1-S5制备的微结构化的石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合薄膜置于印制有电极的PE上，用PI胶带将复合薄膜固定在PE电极上。

通过独特的制备工艺，所得到的导电层3的微观形貌如图5所示，图5(a)-(c)分别表示以砂纸为模板制备的广域测量压力的电子皮肤在低分辨与高分辨下的表面形貌，说明薄膜表面具有密集的、不同高度的微凸起。图5(b)-(c)的说明石墨烯均匀的贴合在微凸起上。

如图6-10所示，△I为电流变化，I0为基线电流。对不同目数制作好的一种测量压力的电子皮肤均有广域的测量范围，用目数为60制备的电子皮肤其压力响应具有更好的线性度(见图6)。同一压力重复性性能优异，10000次循环压力下敏感度无明显变化(见图7)。广域测量压力的电子皮肤不仅能检测呼吸(见图8)这种细微的压力，还能检测脉搏(见图9)这种适中的压力，更能测量足压(见图10)这种大的压力。

通过独特的制备工艺使PDMS薄膜具备不同高度的微凸起，并将石墨烯紧密的覆盖在这些微凸起上，再按照特定的制作方式制作该多功能柔性电子皮肤，传感器的力的测量范围广，性能稳定，传感器制作方法简单，材料来源简单且价格低廉。

实施例2

本发明的电子皮肤及其制备工艺既适用于砂纸模板，又适用于其他具有微凸起的模板，应用范围广泛。如图3所示，本发明还提供了一种如前所述的测量压力的电子皮肤的制备方法，以荷叶为例，所述砂纸模板置换为荷叶模板，该制备方法包括以下步骤：

S1.环氧树脂模板制作：将环氧树脂浇筑在荷叶表面，60℃固化12h，剥离荷叶后将固化后的模板在盐酸溶液中浸泡3小时，洗净烘干。

S2.倒模处理：将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在洗净的环氧树脂模板表面，烘干之后，揭下并洗净烘干聚二甲基硅氧烷薄膜。

S3.石墨烯的前处理：将聚乙烯亚胺用稀盐酸配置成pH为9.0的溶液，将氧化石墨烯用氨水配置成pH为9.0的悬浮液。

S4.多层组装处理：将二次倒模获得的聚二甲基硅氧烷薄膜先浸泡在聚乙烯亚胺溶液中，15分钟后取出，用去离子水冲洗干净再用氮气吹干；然后在氧化石墨烯悬浮液中浸泡15分钟后取出，并用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；重复上述过程十次。最后将多层组装后的样品用水合肼蒸汽，在90℃下处理三小时。

S5.安装过程：将步骤S1-S5制备的微结构化的石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合薄膜置于印制有电极的PE上，用PI胶带将复合薄膜固定在PE电极上。

实施例3

本发明的电子皮肤及其制备工艺既适用于石墨烯，又适用于其他导电材料，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测量压力的电子皮肤的制备方法，以Au为例，所述石墨烯置换为Au，如图4所示，该制备方法包括以下步骤：

S1.砂纸的前处理：乙醇超声5分钟，再用去离子水超声5分钟，烘干。

S2.第一次倒模处理：将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在洗净的砂纸表面，烘干之后，揭下并洗净烘干聚二甲基硅氧烷薄膜。

S3.第二次倒模处理：将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在洗净的一次聚二甲基硅氧烷模具中，烘干之后，再揭下并洗净烘干，获得聚二甲基硅氧烷薄膜。

S4.电镀Au：将获得的聚二甲基硅氧烷薄膜放置于蒸镀机内，蒸镀金属Au。

S5.安装过程：将步骤S1-S5制备的微结构化的石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合薄膜置于印制有电极的PE上。

进一步的，实施例1和实施例2实施例3中的PE膜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：具有广泛的力的测量范围，从呼吸压力到足压均可测量；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。

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 (9)

1.一种测量压力的电子皮肤，其特征在于，该电子皮肤包括上半部分和下半部分，其中：

所述下半部分包括下基底（1）和电极（2），所述下基底是所述电极的载体，采用非导电材料；所述上半部分设置在所述下半部分的上方，该上半部分包括上基底（4）和导电层（3），该上基底（4）的下表面设置有高度呈阶梯分布的凸起，该凸起的表面附着一层所述导电层（3）,在所述电极两端加载测试电压，当所述上半部分上表面受到不同大小的外界压力时，所述凸起与所述电极接触面积变化，所述电极之间将产生电流变化，通过测量该电流变化获知所述外界压力的大小；

其中，所述导电层（3）采用PH为8.5～9.5的聚乙烯亚胺和氧化石墨烯溶液制备而成。

2.如权利要求1所述的电子皮肤，其特征在于，所述上基底（4）为柔性无机材料或柔性高分子材料。

3.如权利要求1所述的电子皮肤，其特征在于，所述上基底（4）为聚二甲基硅氧烷、橡胶、蛋白质或水凝胶。

4.如权利要求1-3任一项所述的电子皮肤，其特征在于，所述高度呈阶梯分布的凸起中，不同的凸起之间的高度差的取值范围为100微米以内。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的电子皮肤的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）采用模具制备下表面设置有高度呈阶梯分布凸起的所述上基底；

（b）在所述凸起的表面上附着一层导电层，即获得所述电子皮肤的上半部分；

（c）选取下基底和电极，将所述电极放置在所述下基底上，即获得所述电子皮肤的下半部分，将所述上半部分放置在所述下半部分上即获得所述电子皮肤。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤（a）中，所述模具按照下列方法制备：

（a1）选取表面设置有高度呈阶梯分布凸起的凸模，上基底的原材料；

（a2）将所述上基底的原材料熔融为液态，将该液态的上基底原材料倒在所述凸模上，待所述液态的上基底原材料凝固后将其与所述凸模分离，该凝固的上基底原材料即为所述模具。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤（a1）中，所述凸模为砂纸或荷叶。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤（b）中，所述导电层按照下列方式制备：

（b1）分别配置PH为8.5～9.5的聚乙烯亚胺和氧化石墨烯溶液；

（b2）将所述上基底先后在所述聚乙烯亚胺和氧化石墨烯溶液中浸泡，重复多次后取出，烘干即在所述上基底的凸起上获得所需的导电层。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤（b）中，所述导电层采用蒸镀的方式在所述凸起上制备。

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