CN109374024A - 一种具有凹坑结构的压阻式电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

一种具有凹坑结构的压阻式电子皮肤及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109374024A
CN109374024A CN201811306206.1A CN201811306206A CN109374024A CN 109374024 A CN109374024 A CN 109374024A CN 201811306206 A CN201811306206 A CN 201811306206A CN 109374024 A CN109374024 A CN 109374024A
Authority
CN
China
Prior art keywords
polymer
elastomer
melt
inorganic filler
injection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811306206.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109374024B (zh
Inventor
刘正英
黄炎昊
杨鸣波
郑少笛
杨伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sichuan University
Original Assignee
Sichuan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sichuan University filed Critical Sichuan University
Priority to CN201811306206.1A priority Critical patent/CN109374024B/zh
Publication of CN109374024A publication Critical patent/CN109374024A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109374024B publication Critical patent/CN109374024B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/16—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying resistance
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/0205—Simultaneously evaluating both cardiovascular conditions and different types of body conditions, e.g. heart and respiratory condition
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/024—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Injection Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

本发明属于传感器领域，特别是涉及一种电子皮肤及其制备方法。本发明提供一种压阻式电子皮肤，包括传感层，所述传感层是将两片具有凹坑结构的弹性体薄膜按照有凹坑结构的侧面相向对叠组装而成。本发明所提供的电子皮肤的传感层具有独特的对叠凹坑微结构，这种微结构能够提升该电子皮肤的灵敏度，同时该电子皮肤具有优异的稳定性，并能检测出诸多信号(如声音信号、滑动信号等)，检测人体运动情况以及生理信号等，具备运用于人体健康管理的潜质。

Description

一种具有凹坑结构的压阻式电子皮肤及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器领域，特别是涉及一种电子皮肤及其制备方法。
背景技术
近年来，集成了各类传感器和信号收集系统的可穿戴电子设备作为移动智能终端迅速兴起，促进了家居、医疗卫生和工业领域生产的智能化发展。电子皮肤作为可穿戴设备的一种，具有良好的适应性，灵敏度高，体积小，质量轻，能耗低等特性，能够模仿人体皮肤的某种或某些感应功能并被运用于生物监测传感和人机交互上。目前的电子皮肤通常能够监测人体的运动状态及健康状态，如感应人体不同部位的不同动作，监测人体呼吸心跳脉搏等人体健康生理指标，有的甚至能监测人体体表温度与电解质成分，达到对人体健康进行监控的目的。
目前，针对能够覆盖复杂三维静动态表面完成接触压力测量的柔弹性电子皮肤的研究主要以电子皮肤接触面的柔弹性传感器阵列结构的构筑为主，例如：1.在硅橡胶弹性体上利用模板法制备微米级波形和金字塔形的阵列，再将两片硅橡胶弹性体带有这种金字塔结构的一面对叠组装成电子皮肤，如ACS nano,2014,8(5):4689-4697及公开专利CN201310507497.1；2.在导电弹性的基板上喷印、3D打印、或者化学气相法沉积出氧化物薄膜晶体管、压力传感器阵列等,如公开专利CN201410770984.1及Advanced Materials,2016,28,2556–2562。然而这些方法存在以下缺陷：具有敷贴性及可穿戴的电子皮肤需要使用具备一定的形变能力柔性的基板以适应人体的运动等变化，但是电极层和沉积刻蚀的无机物传感层柔弹性较差，降低了电子皮肤整体的柔韧性，限制了其性能及使用领域；而对于具有柔弹性电极与传感层的电子皮肤，其柔弹性的传感阵列一般采用溶液模板法制备，成本高昂，环境不友好，生产周期长，产率低，无法实现连续大规模工业化生产。因此采用简便易行的传统聚合物加工方法来批量化制备带有柔性传感阵列结构的电子皮肤有望为电子皮肤的工业化生产提供一种极具价值的指导性思路。
发明内容
本发明针对上述缺陷，本发明提供一种电子皮肤器件及其制备方法，利用该方法制得的电子皮肤器件具有凹坑微结构，进而使得该电子皮肤器件的柔弹性较好、灵敏度较高；能够用于多种信号的检测以及人体运动生理信号的监测。
本发明的技术方案：
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种压阻式电子皮肤，包括传感层、导电层、支撑层和封装层，所述传感层是将两片具有凹坑结构的弹性体薄膜按照有凹坑结构的侧面相向对叠组装而成；其中，所述具有凹坑结构的弹性体薄膜采用下述方法制备得到：1)先采用多熔体多次注射成型法制备得到皮层为具有导电网络结构的聚合物弹性体/导电填料共混物，芯层为聚合物1/无机填料共混物的薄板形多熔体多次注射成型制品；聚合物弹性体与聚合物1不相容，聚合物1与无机填料不相容，使得多熔体多次注射成型过程中皮层和芯层界面处分布有无机填料；2)再将聚合物弹性体/导电填料共混物皮层从制品上剥离下来，由于无机填料在剥离下的皮层薄膜的剥离面上留下凹坑结构，进而得到表面具有凹坑结构的皮层弹性体薄膜。
进一步，所述电子皮肤中，皮层弹性体薄膜的剥离面具有均匀分布的凹坑结构，凹坑尺寸可通过多熔体多次注射成型制备过程中芯层无机填料的直径进行调整，凹坑的分布密度可通过芯层无机填料的含量进行调整。
进一步，所述电子皮肤中，40μm≤具有凹坑结构的弹性体薄膜的厚度≤100μm；具有弹性体薄膜即皮层薄膜的厚度不高于100μm是为了保证电子皮肤的高灵敏度，皮层薄膜的厚度不低于40μm则是为了保证电子皮肤的使用强度及易剥离性。
进一步，所述具有凹坑结构的弹性体薄膜的制备方法中，所述芯层聚合物1/无机填料共混物的熔体流动速率大于但不得远大于所述皮层聚合物弹性体/导电填料共混物的熔体流动速率，且为使注射流动稳定，所述芯层聚合物1/无机填料共混物的熔体流动速率不低于0.1g/10min(190℃/2.16Kg，ASTM D1238)。在采用多熔体多次注射成型法(M3IM)成型该电子皮肤传导层中的皮层薄膜时，因为熔体流动速率越大，聚合物(共混物)熔体的粘度越小，想要得到厚度在40～100μm左右的皮层，则需要芯皮粘度比较小才行，也就是要求芯层共混物的流动指数较大，皮层共混物的流动指数较小，最终得到的皮层厚度较薄，但不会太薄。
进一步，所述薄板形多熔体多次注射成型制品采用下述方法制得：将聚合物弹性体/导电填料共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的一次注射成型射台中，将聚合物1/无机填料共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的二次辅助注射成型射台的料斗中进行塑化；先经过一次注射成型射台将聚合物弹性体/导电填料共混物熔体短射进入薄板状型腔中，经过0.5～1秒的延迟时间后再通过二次辅助注射成型射台将聚合物1/无机填料共混物熔体注射进入型腔并穿透一次注射的聚合物弹性体/导电填料共混物并推动其填满整个型腔，最后冷却、保压、脱模，获得皮层为聚合物弹性体/导电填料共混物芯层为聚合物1/无机填料共混物的多熔体多次注射成型制件(M3IM制件)。
进一步，所述多熔体多次注射成型的工艺参数设置为：一次注射成型射台塑化温度为180～200℃，短射量为50vol.％，一次熔体注射速度为15～56.7ccm/s，一次熔体注射压力为1000～2275bar；二次辅助注射成型射台塑化温度为180～220℃，二次熔体注射速度为38.4ccm/s，二次熔体注射压力为2299bar，冷却保压时间为120～300s，模具温度为25～80℃。
进一步，所述聚合物弹性体为低结晶度烯烃类弹性体；更进一步，所述聚合物弹性体选自聚乙烯-1-辛烯嵌段共聚物(ethylene-α-octene block copolymer,OBC)，三元乙丙橡胶(Ethylene Propylene Diene Monomer,EPDM)或热塑性聚氨酯(thermalplasticpolyurethane,TPU)等热塑性弹性体。
进一步，所述导电填料选自碳纳米管、碳纳米纤维(carbon nanofiber,CNF)、银纳米线(silver nanowire,AgNW)、石墨烯纳米微片(graphene nanoplatelets,GNPs)或石墨烯(graphene)等二维或三维导电填料。
进一步，所述聚合物1选自聚乙烯、聚丙烯等半结晶烯烃聚合物。
进一步，所述导电填料优选为碳纳米管(CNT)，其直径为5～10nm，长度为1～2μm，真实密度2g/cm3左右，电导率为500～1000S/cm。
进一步，所述无机填料选自二氧化硅、无机玻璃微珠或碳酸钙球形微珠等；并且所述无机填料的表面为疏水性的。之所以要求无机填料表面是疏水性，是因为亲水性会导致无机填料与基体的相容性改变，影响到无机填料的迁移。
更进一步，所述无机填料的直径在10μm～100μm，真实密度1～2g/cm3。本发明之所以限定无机填料的直径在10～100μm范围之内，因为尺寸太小会导致在传感层上复刻出的凹坑尺寸太小，太大则会导致在传感层上复刻出的凹坑尺寸太大；凹坑尺寸太大或太小都会降低传感层的灵敏度；另外无机粒子的密度不宜太大，否则会使共混材料的密度及粘度陡增，增加注射穿透时的难度。真实密度指的是材料在绝对密实状态下的体积内固体物质的实际体积，不包括内部空隙。
本发明要解决的第二个技术问题是提供压阻式电子皮肤的制备方法，将传感层与电极、支撑层和封装层采用现有方式连接即可；其中，所述传感层是将两片具有凹坑结构的弹性体薄膜按照有凹坑结构的侧面相向对叠组装而成；其中，所述具有凹坑结构的弹性体薄膜采用下述方法制备得到：1)先采用多熔体多次注射成型法制备得到皮层为具有导电网络结构的聚合物弹性体/导电填料共混物，芯层为聚合物1/无机填料共混物的薄板形多熔体多次注射成型制品；聚合物弹性体与聚合物1不相容，聚合物1与无机填料不相容，使得多熔体多次注射成型过程中皮层和芯层界面处分布有无机填料；2)再将聚合物弹性体/导电填料共混物皮层从制品上剥离下来，由于无机填料在剥离下的皮层薄膜的剥离面上留下凹坑结构，进而得到表面具有凹坑结构的皮层弹性体薄膜。
本发明压阻式电子皮肤的制备方法采用常规的方式将传感层与电极、支撑层和封装层连接即可；如传感层上下两片薄膜分别连接电极，整个传感层由外围的弹性体支撑框架支撑固定并由两片皮肤胶进行封装。
本发明的有益效果：
1.本发明所提供的电子皮肤的传感层具有独特的对叠凹坑微结构，这种微结构能够提升该电子皮肤的灵敏度，同时该电子皮肤具有优异的稳定性，并能检测出诸多信号(如声音信号、滑动信号等)，检测人体运动情况以及生理信号等，具备运用于人体健康管理的潜质。
2.本发明传感层的皮层薄膜具有良好的柔韧性与柔弹性、其剥离面上具有分布均匀的凹坑结构，该凹坑结构同样拥有与薄膜基体相同的柔韧性与柔弹性；在剥离面上与凹坑内部具有裸露的导电填料；该凹坑结构进一步提供给电子皮肤优异的灵敏程度，如使该电子皮肤能够感应到重量极小的物质，并且使该电子皮肤能够检测到人体脉搏呼吸心跳等微弱的生理信号。
3.本发明所提供的电子皮肤传感层的制备方法采用了一种特殊的注射成型方法，且整个制备过程不使用溶剂，只涉及传统聚合物熔体加工以及机械后加工，成本和能耗较低，环境友好，生产效率较高，适合大规模批量化生产。
4.本发明提供了一种低成本、快捷、简单高效且能够批量化的特殊注射成型制备方法来快速简单高效地制备上述带凹坑结构的电子皮肤器件。
5.本发明所得电子皮肤具有优异的稳定性，如在循环压缩5000～8000次后该电子皮肤的初始电阻值及电阻变化率皆不超过5％。
6.本发明所提供的电子皮肤的灵敏度高，并且该发明所提供的带有凹坑结构的电子皮肤的制备方法简单易行，对人体与环境基本无害，成本低廉，生产效率高，具有大规模工业化生产的价值与潜力。
附图说明
图1为本发明一种带凹坑微结构的压阻式电子皮肤的主要组件、结构及组装示意图；其中MD代表M3IM注射成型时的流动方向(machine direction)，ND代表M3IM注射成型时的法向方向(normal direction)，TD代表M3IM注射成型时的横向方向(transversedirection)。
图2为实施例1中利用M3IM制备的制件以及电子皮肤薄膜的形态结构，(a)为将皮层从M3IM制件上剥离下来时的图片，(b)皮层厚度的电镜图，(c)皮层剥离面的微观形貌电镜图，(d)图2(c)中对应凹坑位置放大后的形貌电镜图。
图3为实施例1中所得电子皮肤的电流变化率关于正载荷变化的变化曲线图。
图4为实施例1中所得电子皮肤的正压力循环测试图。
图5为实施例1中所得电子皮肤检测人体在静态以及运动后的腕动脉博信号及变化情况图，(a)为被测者佩戴实施例1制得的电子皮肤的位置图，(b)为电子皮肤测得的被测者在静态及运动后的腕动脉博跳动曲线，(c)为图5(b)中曲线阴影部分的放大图。
具体实施方式
本发明提供一种带凹坑微结构的电子皮肤；其中，电子皮肤的传感层是由两片M3IM制备的注射成型制件的皮层结构剥离组装而成，组装时按照剥离面相对对叠组装，且皮层剥离面上具有微米级凹坑结构，剥离面及凹坑结构内具有裸露的导电填料。
多熔体多次注射成型(multi-melt multi-injection molding,M3IM)过程为一次熔体短射进入型腔，二次熔体穿透一次熔体并推动一次熔体填满型腔后进入副腔，最终冷却保压得到制品。相比于普通注射成型，M3IM中具有两相聚合物的相对流动，其一次熔体由于被约束在刚性模壁及柔性聚合物界面之间并受到两次剪切流动大应变，同时二次熔体也受到一次熔体的反相剪切作用并被约束在柔性聚合物界面之内，因而制品的各层次上都能形成大规模取向结构，同时能够在界面上形成特殊微观结构。本发明即利用M3IM的二次强剪切流动，芯皮两相聚合物之间的不相容性以及无机粒子在皮芯界面位置上的原位迁移制备了皮层材质为具有导电网络的弹性体/导电填料共混物，芯层材质为聚合物1/无机填料共混物的薄板形M3IM制品；再将皮层从制品上剥离下来获得剥离面带无机填料(如SiO2)于界面位置上留下的凹坑结构的皮层薄膜，最终将两片该薄膜有凹坑结构的剥离面对叠组装获得传感层，辅以皮电极、皮肤胶及支架层压得到压阻式电子皮肤制件。在现有技术中尚没有利用这种特殊注射成型方法大规模制备高灵敏度电子皮肤的报导。本发明中，由于具有凹坑结构的弹性体薄膜中有导电填料组成的导电网络，薄膜自身电导率较高；薄膜剥离面上包括凹坑中有较多裸露的导电填料，保证了薄膜剥离面的导电性，使得两片薄膜剥离面对叠时的接触电阻较小。
本发明带凹坑微结构的电子皮肤的制备方法可采用下述实施方式进行：
(1)先将高密度聚乙烯(HDPE)与二氧化硅微球(SiO2)进行熔融共混获得HDPE/SiO2共混物；SiO2的质量分数为40～80wt.％；
(2)再将弹性体与碳纳米管(CNT)进行熔融共混获得弹性体/CNT共混物；CNT的质量分数为10～25wt.％；步骤(1)与(2)中所采用的熔融共混加工温度为180～200℃，混合转速为80rpm，混合时间为5～10min；
(3)将步骤(1)与步骤(2)制备的共混物原料进行常温粉碎，得到粒径分布为80～500目的HDPE/SiO2共混物颗粒与弹性体/CNT共混物颗粒并进行烘干处理；
(4)将步骤(3)制备的弹性体/CNT共混物颗粒作为多熔体多次注射成型的一次注射原料，将步骤(3)制备的HDPE/SiO2共混物颗粒作为多熔体多次注射成型的二次注射原料，采用多熔体多次注射成型制备得到薄板状M3IM制件；
步骤(4)的成型过程如下：将步骤(3)所得的弹性体/CNT共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的一次注射成型射台中，将步骤(3)所得的HDPE/SiO2共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的二次辅助注射射台的料斗中进行塑化；先经过一次注射成型射台将弹性体/CNT共混物熔体短射进入薄板状型腔中，经过0.5～1秒的延迟时间后再通过二次辅助注射射台将弹性体/CNT共混物熔体注射进入型腔并穿透一次注射的HDPE/SiO2共混物熔体并推动其填满整个型腔，最后冷却、保压、脱模，获得皮层为弹性体/CNT共混物芯层为HDPE/SiO2共混物的M3IM制件；
(5)将步骤(4)所得的M3IM制件的皮层弹性体/CNT从制件上手动剥离下来，获得弹性体/CNT皮层薄膜材料；
(6)将步骤(5)所得的两片皮层薄膜材料按照剥离面对叠起来，分别在上下两片薄膜表面相对的两个边缘上用银胶粘贴两根条带状电极并将该整体作为电子皮肤的传感导电层；用PDMS框架作为支撑层置于传感层外围进行固定，最后用两片皮肤胶作为上下绝缘封装层将PDMS固定的传感导电层进行封装，组装成电子皮肤。该电子皮肤的主要组件、结构及组装过程如图1所示，其中MD代表注射成型时的流动方向(machine direction)，ND代表注射成型时的法向方向(normal direction)，TD代表注射成型时的横向方向(transversedirection)。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
电子皮肤采用下述步骤制备：
(1)首先将高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE，牌号DGDA-6098，中国齐鲁石化生产；重均分子量5.63×105g/mol，数均分子量6.75×104g/mol，熔体流动速率(MFR)为0.09g/10min(190℃/2.16kg，ASTM D1238)，密度0.953g/cm3)与二氧化硅微球(silica powder，SiO2，中国Aladdin生产；真实密度2.20g/cm3，平均直径85μm)在转矩流变仪中进行共混，共混比例为HDPE/SiO2＝33.4/66.6wt.％，共混温度优选为200℃，共混时间为8min，混合转速为80rpm。
(2)其次，再将乙烯-1-辛烯嵌段共聚物(ethylene-α-octene block copolymer，OBC，牌号infuse 9807，美国DuPont生产；MFR＝0.853g/10min(190℃/2.16Kg，ASTMD1238)，密度0.960g/cm3)与碳纳米管(carbon nanotube，CNT，牌号NC7000，比利时Nanocyl生产；平均直径9.5nm，平均长度1.5μm，真实密度1.810g/cm3，电导率1000S/cm)在转矩流变仪中进行共混，共混比例为OBC/CNT＝80/20wt.％，共混温度优选为200℃，共混时间为8min，混合转速为80rpm。
(3)将步骤(1)与步骤(2)制备的共混物原料进行常温粉碎，得到粒径分布为120目的HDPE/SiO2共混物颗粒与OBC/CNT共混物颗粒并进行烘干处理。
(4)将步骤(3)制备的OBC/CNT共混物颗粒作为多熔体多次注射成型的一次注射原料，将步骤(3)制备的HDPE/SiO2共混物颗粒作为多熔体多次注射成型的二次注射原料，采用多熔体多次注射成型制备得到薄板状M3IM制件；
步骤(4)的成型过程及参数设置如下：将步骤(3)所得的OBC/CNT共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的一次注射成型射台中，将步骤(3)所得的HDPE/SiO2共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的二次辅助注射射台的料斗中进行塑化；先经过一次注射成型射台将OBC/CNT共混物熔体短射进入薄板状型腔中，一次注射温度设置为200℃，一次注射速度设置为56.7ccm/s，一次注射压力设置为2275bar；经过0.5秒的延迟时间后再通过二次辅助注射射台将HDPE/SiO2共混物熔体注射进入型腔并穿透一次注射的OBC/CNT共混物熔体并推动其填满整个型腔，二次穿透注射的注射温度设置为210℃，而次注射速度设置为38.4ccm/s，二次注射压力设置为2299bar；最后冷却保压300s后开模取件，获得皮层为OBC/CNT共混物，芯层为HDPE/SiO2共混物的M3IM制件。该步骤中模具温度恒定为60℃。
(5)将步骤(4)所得的M3IM制件的皮层OBC/CNT层从制件上手动剥离下来，获得OBC/CNT皮层薄膜材料；剥离照片如图2(a)所示
(6)将步骤(5)所得的两片皮层薄膜材料进行组装：首先选择3M Tegaderm Film皮肤胶有粘性一侧朝上固定在试样组装台上，在皮肤胶上对注射样品皮层薄膜的位置进行定位后在皮肤胶短轴轴对称的定位位置上引出带状银箔，并在银箔连接试样一端涂抹导电银胶作为电极使用；随后对称地将两片皮层薄膜沿皮肤胶短轴对称轴对称地粘贴在皮肤胶上的预定位置内，并使其边缘对应位置与电极贴合；另外将一片外尺寸为24×23mm，内尺寸为15×8mm，厚度约为200μm的PDMS框型薄膜作为支撑框架粘贴在一侧皮层的外沿位置；最后将皮肤胶对折粘贴，处于对称位置上的两层皮层试样则面对面对叠(face-to-facepacked)在了一起组成电子皮肤。
所得的电子皮肤在烘箱中以60℃放置30min直至银胶固化即可使用测试。
性能测试：
多熔体多次注射成型的具有凹坑微结构的压阻式电子皮肤的微观结构特征，以及各项传感性能采用如下方法进行测试：
将M3IM注射成型所得的尚未剥离的制件浸泡在液氮中1hr后沿横向方向(transverse direction，TD)淬断出皮层的断面；将M3IM制件的皮层剥下暴露出皮层的剥离面，将剥离面朝上粘贴在铜箔上；将带有待观测断面及待观测剥离面的样品在室温下静置2hr后进行喷金处理，用扫描电子显微镜(JSM-5900LV型，日本JEOL公司)进行观察，电子加速电压为20kV。皮层的断面及剥离面形貌分别如图2(b)与(c)所示，所观察的断面及剥离面形貌的观察位置在图2(a)中标示出。
从图2(b)可以看到，M3IM制件的皮层厚度均匀且大约为100μm；芯层可以清晰看到较多的SiO2微球，另外有部分微球处于OBC/CNT皮层与PE/SiO2芯层的界面上，说明在M3IM的二次流场及温度场作用使得SiO2能够从芯层迁移到皮层与芯层的界面上。皮层薄膜的剥离面的形貌图如图2(c)所示，在剥离面上能够很直观地观察到大量尺寸为50～100μm的凹坑结构，而这些凹坑结构正是皮层剥离时留下的处于界面位置上的SiO2微球的复刻形态。将图2(c)的形态进一步放大如附图2(d)所示(该观察位置在图2(c)中标示出)，在图中还可以观察到凹坑结构内波长大约为5μm的褶皱结构，以及褶皱结构上的微小撕裂结构与一些裸露的碳管。
电子皮肤在高阻仪(当R≥106时，Keithley 6517B，美国Ohio公司)及低阻仪(当R≤106时，Keithley 2400，美国Ohio公司)上进行传感性能的测试，记录样品在信号检测过程中其电流或电阻值的变化规律。当采用R-t模式测量电阻变化时，试样测试在高阻仪上进行，测试时输出电压设置为5V，钳位电流为10μA，积分时间为0.01s，最终测得电阻关于时间的变化曲线，电阻变化率表示为ΔR/R0(％)，其中ΔR＝R-R0(R为实时电阻值，R0为初始电阻值)。采用I-t模式测量电流变化时，试样测试在低阻仪上进行，测试时输出电压设置为5V，钳位电流为10mA，积分时间为0.01s，最终测得电流关于时间的变化曲线，电流变化率表示为ΔI/I0(％)，其中ΔI＝I-I0(I为实时电流值，I0为初始电流值)。
电子皮肤的灵敏度测试结果如图3所示，用(I-I0)/I0/P来表示样品的灵敏度，其中I0为测试初始电流值，I为测试时的实时电流值，P为电子皮肤表面所受到的压强。由图3可以看出，实施例1中的电子皮肤样品的电流随压强的增加呈稳定的线性增长关系，当压强增加到11.5kPa时，电子皮肤样品的电流增加了约230倍，其灵敏度可达到19.87kPa-1；这一数值超过了目前为止某些报导的同类型的电子皮肤的灵敏度。
电子皮肤的循环稳定性测试结果如图4所示，可以看出，在3Hz的频率，0.25kPa的压力刚开始施加在实施例1的电子皮肤上时，样品的电流约从0.01mA变化到0.05mA，电流变化峰型稳定；当压力反复施加在电子皮肤上2000s(6000个循环)后，其电流从0.015mA增加0.07mA，再降低回0.015mA，但峰型基本仍保持稳定。说明实施例1中的电子皮肤具有良好的循环稳定性。
电子皮肤对人体脉搏的监测结果如图5所示。从图5(b)可以看出，实施例1中的电子皮肤能够完整检测到被测者在静态条件下与运动后条件下的腕动脉峰信号。从放大图图5(c)可以看到，静态下与运动后电子皮肤检测到的脉搏信号都存在三个明显的信号峰，可以根据各信号峰的时间可以计算出静态和运动后的被测者的心率大约分别为75bpm与122bpm，符合一个年龄在20～30岁之间健康男性的生理特征参考数值。该结果充分说明了实施例1中提供的电子皮肤能够检测微弱的人体生理信号，且能够识别在不同人体状态下这些信号的差异。
尽管上面结合实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种压阻式电子皮肤，包括传感层、导电层、支撑层和封装层，其特征在于，所述传感层是将两片具有凹坑结构的弹性体薄膜按照有凹坑结构的侧面相向对叠组装而成；
其中，所述具有凹坑结构的弹性体薄膜采用下述方法制备得到：1)先采用多熔体多次注射成型法制备得到皮层为具有导电网络结构的聚合物弹性体/导电填料共混物，芯层为聚合物1/无机填料共混物的薄板形多熔体多次注射成型制品；聚合物弹性体与聚合物1不相容，聚合物1与无机填料不相容，使得多熔体多次注射成型过程中皮层和芯层界面处分布有无机填料；2)再将聚合物弹性体/导电填料共混物皮层从制品上剥离下来，由于无机填料在剥离下的皮层薄膜的剥离面上留下凹坑结构，进而得到表面具有凹坑结构的皮层弹性体薄膜。
2.根据权利要求1所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，40μm≤具有凹坑结构的弹性体薄膜的厚度≤100μm。
3.根据权利要求1或2所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，所述皮层弹性体薄膜的剥离面具有均匀分布的凹坑结构，凹坑的尺寸可通过多熔体多次注射成型制备过程中芯层无机填料的直径进行调整，凹坑的分布密度可通过芯层无机填料的含量进行调整。
4.根据权利要求1～3任一项所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，所述薄板形多熔体多次注射成型制品采用下述方法制得：将聚合物弹性体/导电填料共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的一次注射成型射台中，将聚合物1/无机填料共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的二次辅助注射成型射台的料斗中进行塑化；先经过一次注射成型射台将聚合物弹性体/导电填料共混物熔体短射进入薄板状型腔中，经过0.5～1秒的延迟时间后再通过二次辅助注射成型射台将聚合物1/无机填料共混物熔体注射进入型腔并穿透一次注射的聚合物弹性体/导电填料共混物并推动其填满整个型腔，最后冷却、保压、脱模，获得皮层为聚合物弹性体/导电填料共混物芯层为聚合物1/无机填料共混物的多熔体多次注射成型制件。
5.根据权利要求4所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，所述多熔体多次注射成型的工艺参数设置为：一次注射成型射台塑化温度为180～200℃，短射量为50vol.％，一次熔体注射速度为15～56.7ccm/s，一次熔体注射压力为1000～2275bar；二次辅助注射成型射台塑化温度为180～220℃，二次熔体注射速度为38.4ccm/s，二次熔体注射压力为2299bar，冷却保压时间为120～300s，模具温度为25～80℃。
6.根据权利要求1～5任一项所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，所述聚合物弹性体为低结晶度烯烃类弹性体；进一步，所述聚合物弹性体选自聚乙烯-1-辛烯嵌段共聚物，三元乙丙橡胶或热塑性聚氨酯。
7.根据权利要求1～6任一项所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，所述导电填料选自碳纳米管、碳纳米纤维、银纳米线、石墨烯纳米微片或石墨烯。
8.根据权利要求1～7任一项所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，所述聚合物1选自半结晶烯烃聚合物；进一步，所述聚合物1选自聚乙烯或聚丙烯。
9.根据权利要求1～8任一项所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，所述无机填料选自二氧化硅、无机玻璃微珠或碳酸钙球形微珠；并且所述无机填料的表面为疏水性的；进一步，所述无机填料的直径在10μm～100μm，真实密度为1～2g/cm3。
10.压阻式电子皮肤的制备方法，将传感层与电极、支撑层和封装层采用现有方式连接即可，其特征在于，所述传感层是将两片具有凹坑结构的弹性体薄膜按照有凹坑结构的侧面相向对叠组装而成；其中，所述具有凹坑结构的弹性体薄膜采用下述方法制备得到：1)先采用多熔体多次注射成型法制备得到皮层为具有导电网络结构的聚合物弹性体/导电填料共混物，芯层为聚合物1/无机填料共混物的薄板形多熔体多次注射成型制品；聚合物弹性体与聚合物1不相容，聚合物1与无机填料不相容，使得多熔体多次注射成型过程中皮层和芯层界面处分布有无机填料；2)再将聚合物弹性体/导电填料共混物皮层从制品上剥离下来，由于无机填料在剥离下的皮层薄膜的剥离面上留下凹坑结构，进而得到表面具有凹坑结构的皮层弹性体薄膜。
CN201811306206.1A 2018-11-05 2018-11-05 一种具有凹坑结构的压阻式电子皮肤及其制备方法 Active CN109374024B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811306206.1A CN109374024B (zh) 2018-11-05 2018-11-05 一种具有凹坑结构的压阻式电子皮肤及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811306206.1A CN109374024B (zh) 2018-11-05 2018-11-05 一种具有凹坑结构的压阻式电子皮肤及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109374024A true CN109374024A (zh) 2019-02-22
CN109374024B CN109374024B (zh) 2019-12-27

Family

ID=65397306

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811306206.1A Active CN109374024B (zh) 2018-11-05 2018-11-05 一种具有凹坑结构的压阻式电子皮肤及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109374024B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109717840A (zh) * 2019-03-07 2019-05-07 余建平 仿生电子皮肤及其制备方法
CN110682499A (zh) * 2019-11-07 2020-01-14 四川大学 一种聚乙烯疏水材料及其制备方法
CN111803051A (zh) * 2020-06-29 2020-10-23 天津大学 注射式生物电信号监测器件
CN112932457A (zh) * 2021-01-26 2021-06-11 四川大学 呼吸系统健康监测方法以及装置

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001121576A (ja) * 1999-10-06 2001-05-08 Battenfeld Gmbh プラスチック成形材料を多成分射出成形する方法および装置
DE69810004T2 (de) * 1997-05-23 2003-04-17 Gellert Jobst U Verbindungsbuchse für Spritzgiessverteiler
US20100272849A1 (en) * 2009-04-27 2010-10-28 Mold-Masters (2007) Limited Melt Channel Geometries for an Injection Molding System
CN103961073A (zh) * 2013-01-29 2014-08-06 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 压阻式电子皮肤及其制备方法
CN104419107A (zh) * 2013-08-29 2015-03-18 合肥杰事杰新材料股份有限公司 一种基于碳纤维和石墨烯的聚合物基电磁屏蔽材料及其制备方法
CN104523285A (zh) * 2014-12-12 2015-04-22 广东东邦科技有限公司 一种电子皮肤及其制备方法
CN104555883A (zh) * 2013-10-24 2015-04-29 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 电子皮肤及其制作方法
CN105345996A (zh) * 2015-10-10 2016-02-24 四川大学 一种多熔体多次注射成型模具
CN105399987A (zh) * 2015-09-24 2016-03-16 上海大学 表面修饰的二氧化硅/氧化石墨烯纳米复合材料及制备方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69810004T2 (de) * 1997-05-23 2003-04-17 Gellert Jobst U Verbindungsbuchse für Spritzgiessverteiler
JP2001121576A (ja) * 1999-10-06 2001-05-08 Battenfeld Gmbh プラスチック成形材料を多成分射出成形する方法および装置
US20100272849A1 (en) * 2009-04-27 2010-10-28 Mold-Masters (2007) Limited Melt Channel Geometries for an Injection Molding System
CN103961073A (zh) * 2013-01-29 2014-08-06 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 压阻式电子皮肤及其制备方法
CN103961073B (zh) * 2013-01-29 2016-04-27 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 压阻式电子皮肤及其制备方法
CN104419107A (zh) * 2013-08-29 2015-03-18 合肥杰事杰新材料股份有限公司 一种基于碳纤维和石墨烯的聚合物基电磁屏蔽材料及其制备方法
CN104555883A (zh) * 2013-10-24 2015-04-29 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 电子皮肤及其制作方法
CN104523285A (zh) * 2014-12-12 2015-04-22 广东东邦科技有限公司 一种电子皮肤及其制备方法
CN104523285B (zh) * 2014-12-12 2016-09-21 广东东邦科技有限公司 一种电子皮肤及其制备方法
CN105399987A (zh) * 2015-09-24 2016-03-16 上海大学 表面修饰的二氧化硅/氧化石墨烯纳米复合材料及制备方法
CN105345996A (zh) * 2015-10-10 2016-02-24 四川大学 一种多熔体多次注射成型模具

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
冯建明等: "《____I- 口同 分子材料多熔体多次注射成型初探》", 《口同 分子材料多熔体多次注射成型初探》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109717840A (zh) * 2019-03-07 2019-05-07 余建平 仿生电子皮肤及其制备方法
CN110682499A (zh) * 2019-11-07 2020-01-14 四川大学 一种聚乙烯疏水材料及其制备方法
CN110682499B (zh) * 2019-11-07 2020-06-26 四川大学 一种聚乙烯疏水材料及其制备方法
CN111803051A (zh) * 2020-06-29 2020-10-23 天津大学 注射式生物电信号监测器件
CN111803051B (zh) * 2020-06-29 2023-03-24 天津大学 注射式生物电信号监测器件
CN112932457A (zh) * 2021-01-26 2021-06-11 四川大学 呼吸系统健康监测方法以及装置
CN112932457B (zh) * 2021-01-26 2022-11-25 四川大学 呼吸系统健康监测装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN109374024B (zh) 2019-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109374024A (zh) 一种具有凹坑结构的压阻式电子皮肤及其制备方法
Peng et al. Conductive polymer nanocomposites for stretchable electronics: material selection, design, and applications
Lopes et al. Hydroprinted electronics: ultrathin stretchable Ag–In–Ga E-skin for bioelectronics and human–machine interaction
Yao et al. Multifunctional electronic textiles using silver nanowire composites
You et al. Block copolymer elastomers for stretchable electronics
Won et al. Recent advances in liquid-metal-based wearable electronics and materials
Huang et al. Three-dimensional light-weight piezoresistive sensors based on conductive polyurethane sponges coated with hybrid CNT/CB nanoparticles
Vural et al. Sprayable elastic conductors based on block copolymer silver nanoparticle composites
CN108151949A (zh) 一种柔性电子压力传感装置及其制备方法
Kaur et al. New frontiers in 3D structural sensing robots
CN109044326B (zh) 一种基于印刷技术的全柔性干电极及其制备方法
CN110358297A (zh) 离子橡胶弹性体及其制备方法、离电子式电子皮肤
CN111134671B (zh) 柔性多通道可重复阵列式HD-sEMG传感器及制备
Carvalho et al. Nondrying, sticky hydrogels for the next generation of high-resolution conformable bioelectronics
CN104622464A (zh) 多功能纳米复合传感器和传感系统以及用于监测患者心血管系统的方法和聚合物组合物
CN105671962A (zh) 一种柔性纳米纤维基电子皮肤及其制备方法
CN113970394A (zh) 一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器及其制备方法
Zhong et al. Piezoresistive design for electronic skin: from fundamental to emerging applications
CN113218296B (zh) 一种弹性应变传感器及其制备方法
Gong et al. Materials-Driven Soft Wearable Bioelectronics for Connected Healthcare
Xiao et al. High-adhesive flexible electrodes and their manufacture: A review
Kim et al. Soft Conductive Interfacing for Bioelectrical Uses: Adhesion Mechanisms and Structural Approaches
Wang et al. Bioinspired Interface-Guided Conformal Janus Membranes with Enhanced Adhesion for Flexible Multifunctional Electronics
CN112442246A (zh) 柔性压力传感膜制备方法、摔倒报警柔性地板及制作方法
CN110338808A (zh) 用于竞技运动员运动探测的可贴式柔性检测贴及制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant