CN110057476A - 一种多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法。所述柔性电子皮肤由导电微球相互连接形成，导电微球内部为PDMS微球，PDMS微球表面覆盖导电层形成壳层结构，所述PDMS微球的粒径为6‑40微米，所述壳层厚度为20纳米‑30微米。制备方法为：将PDMS、固化剂、水混合后，加入乳化剂形成乳液，固化后获得PDMS微球；将PDMS、固化剂、导电粉体混合后再与PDMS微球混合，搅拌均匀，形成3D打印的原料墨水；原料墨水通过3D打印机打印成形，制得柔性电子皮肤。本发明中的导电层为PDMS与导电粉体共同组成，使得导电层与PDMS微球结合更为稳定、牢固；制得的电子皮肤具有灵敏的力学响应能力，电性能稳定。

Description

一种多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法

技术领域

本发明属于柔性传感技术领域，具体涉及一种多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展，柔性可穿戴器件已经融入人类生活的方方面面。近年来,柔性电子应变传感器件的发展非常迅速,可以用来检测各种人体生理活动,包括较大幅度的手、胳膊和腿的弯曲移动以及较小幅度的呼吸、吞咽、发声时肌肉震动、血压和眼压等。可穿戴电子传感器以信号传导的形式将生理活动信号转换为可视的电信号,在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、柔性电子皮肤,甚至工业机器人等领域拥有很大的应用潜力。

在柔性电子传感众多应用中,研究最为广泛的是电子皮肤。然而人类的皮肤是一个非常敏感的器官,它具有集成化、可伸缩的网络传感功能,能够将外界的温度、湿度和触觉等刺激信号传递到大脑并接收大脑发送的指令做出反馈,使我们能够避开危险或感受环境变化。人们期待将柔性电子传感技术用于可穿戴式电子皮肤，并期望其可以像人的皮肤一样感受外界的温度、压力、形变或纹理等复杂信号,并且通过电子皮肤将外界刺激转化为可传输的电信号来输出甚至传达大脑的命令。中科院合肥智能机械研究所的梅涛等人申请的专利“柔性三维力触觉传感器”，公开号CN1796954A，其结构包括柔性三维力触觉传感器，由起支撑作用的弹性基底、三维力敏感阵列及柔性填充材料、柔性电路板和起保护作用的弹性保护层组成，成为一个结构紧密的三维力传感部件。该触觉传感器加工工艺复杂、缺乏高度柔性，不能满足在可穿戴设备中人机一体化的需求，与人体皮肤的力学性质差异未提及。合肥工业大学的黄英等人申请的专利“基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器”公开号CN101231200A，其结构采用柔性电路板为底板，圆片状的柔性压敏导电橡胶置于柔性电路板上，并与柔性电路板上分布的电极电连接，柔性压敏导电橡胶的顶部受力面上覆传力半球，该传感器整体上具有高度柔性，然而压敏导电橡胶具有高的迟滞特性、线性度差，精度和分辨率有待提高。华东理工大学的高阳等人申请的专利“可穿戴压力传感器及其制造方法”公开号CN108318161A，其结构采用柔性PDMS薄膜为底板，PDMS微球涂覆在PDMS薄膜上，然后将碳纳米管水溶液涂布在表面，干燥后形成导电层，取两部分导电薄膜相对堆叠制备成压力传感器，然而该触觉传感器通过碳纳米管水溶液涂布在PDMS微球表面形成的导电层与微球之间结合力不强、同时难以对PDMS微球形成全面包覆，器件灵敏度有待提高，并且与人体皮肤的力学性质差异未提及。目前，许多研究学者的研究重心主要在电子皮肤对压力信号响应上，而对剪切力的响应研究相对较少，Chunhong Mu等研究了利用碳纳米管与氧化石墨烯复合聚二甲基硅氧烷，利用致孔剂合成了多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，不仅可以检测手腕的动作，还可以辨别不同的表面粗糙度。尽管近年来电子皮肤研究取得了长足进展，但仍然存在感应材料的响应灵敏度不足、稳定性和抗干扰能力较差及感应的范围窄等诸多问题，这些限制了其实际应用。

发明内容

本发明的目的是，提供一种具有准确响应压力、剪切力的多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下：

一种多信号响应柔性电子皮肤，所述柔性电子皮肤内部为PDMS微球，PDMS微球表面覆盖导电层形成壳层结构，所述PDMS微球的粒径为6-40微米，所述壳层厚度为20纳米-30微米。本发明中所述PDMS均指聚二甲基硅氧烷。

优选地，所述导电层为PDMS与导电粉体的混合物，所述导电粉体的添加量为皮肤总质量的1.8％-2.4％。

优选地，所述导电粉体选自碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、改性氧化石墨烯中的一种或多种。

本发明还提供了所述的多信号响应柔性电子皮肤的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，制备PDMS微球：将PDMS、固化剂、水按照一定比例混合，然后加入乳化剂，混合均匀形成乳液，固化，去离子水冲洗，离心获得PDMS微球；

步骤2，制备导电层包覆的PDMS微球墨水：将PDMS、固化剂、导电粉体按照一定比例混合，混合物与前述制备的PDMS微球按照一定比例混合后搅拌均匀，形成3D打印的原料墨水；

步骤3，将制备的原料墨水通过3D打印机打印成形，固化，制得柔性电子皮肤。

优选地，所述步骤1中PDMS、固化剂、水的质量比例为(8-12)：1：50。进一步优选为10：1：50。

优选地，所述步骤1中乳化剂的加入量为4-8wt％，进一步优选为6wt％。

优选地，所述步骤1中的乳化剂为羧化壳聚糖。

优选地，所述步骤1中固化温度为70-90℃，固化时间为1-3小时；固化温度进一步优选为80℃，固化时间为2小时。

优选地，所述步骤2中PDMS、固化剂、导电粉体的质量比例为10:1：(1.1-1.5)。

优选地，所述步骤2中混合物与PDMS微球的质量比例为1：(3-5)，进一步优选为1：4。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1，由于对柔性PDMS微球进行导电层包覆处理后，柔性高分子微球表面形成壳层结构，其中壳层为PDMS与导电粉体共同组成的导电层，使得导电层与PDMS微球结合更为稳定、牢固。

2，柔性电子皮肤的壳层厚度为20纳米-30微米，壳层结构还有利于减少导电填料的用量；电子皮肤的表面层具有灵敏的力学响应能力和稳定的电性能。

3，本发明制备方法易于操作和产业化，制得的柔性电子皮肤具有优异的综合性能。

附图说明

图1是本发明中柔性电子皮肤制备方法的示意图。

图2是本发明实施例1-4得到的柔性电子皮肤的拉伸应力应变曲线图。

图3是本发明实施例3得到的柔性电子皮肤的表面与截面的扫描电镜(SEM)照片。

图4是本发明实施例3得到的柔性电子皮肤对压力的响应曲线。

图5是本发明实施例3得到的柔性电子皮肤对剪切力的响应曲线。

图6是本发明实施例3得到的柔性电子皮肤的灵敏度曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1-2

PDMS微球的制备：PDMS和固化剂、水按照10：1：50的质量比例混合，然后加入6wt％羧化壳聚糖作为乳化剂，利用离心搅拌机充分均匀混合制备形成乳液。将乳液在80℃的温度下固化2h，随后用去离子水冲洗十次，离心获得PDMS微球。

PDMS、固化剂与石墨烯导电粉体按照质量比例10:1：(1.1-1.5)混合，随后与制备的PDMS微球按照质量比1:4比例离心搅拌混合均匀，制备形成3D打印的原料墨水；利用制备的原料墨水通过三维打印机打印成形，随后固化得到柔性电子皮肤。

其中实施例1和实施例2中石墨烯导电粉体的添加量分别为皮肤总质量的1.8％、2.4％。

参加图1为本发明柔性电子皮肤制备方法的示意图。

实施例3-4

PDMS微球的制备：PDMS和固化剂、水按照10：1：50的质量比例混合，然后加入6wt％羧化壳聚糖作为预乳化剂，利用离心搅拌机充分均匀混合制备形成乳液。将乳液在80℃的温度下固化2h，随后用去离子水冲洗十次，离心获得PDMS微球。

PDMS、固化剂和碳纳米管导电粉体按照质量比例10:1：(1.1-1.5)混合，随后与制备的PDMS微球按照质量比1:4比例离心搅拌混合均匀，制备形成3D打印的原料墨水；利用制备的油墨通过三维打印机打印成形，随后固化得到柔性电子皮肤。

其中实施例3和实施例4碳纳米管导电粉体的添加量分别为皮肤总质量的1.8％、2.4％。

对实施例1-4得到的柔性电子皮肤在室温下进行测试，采用DMA测试所制备的电子皮肤的应力应变曲线，得到的力学性能结果参见图2。从图2可以看出：由于利用包覆工艺，实现了PDMS微球的表面导电层包覆，使得PDMS微球表面形成导电层，由于导电层是PDMS与碳导电材料混合组成，因此导电层与PDMS微球结合牢固，而且能起到提高力学性能的作用。通过图2可以看到实施例3效果最为明显，同时实施例3的模量与人体皮肤模量相似(0.13～0.66MPa),说明本发明制得的电子皮肤能与人体皮肤的形变保持高度一致，能够准确响应皮肤的形变。

对实施例3的柔性电子皮肤进行SEM分析，SEM图片参见图3。由图3可知：结构上表层形成壳层结构，壳层厚度为20纳米-30微米，基体为PDMS微球，微球大小为6微米-40微米，其中表面碳纳米管层为导电层。

将实施例3的柔性电子皮肤置于叉指电极上，利用多轴力/扭矩传感器测试电子皮肤的力学响应，结果参见图4。从图4可以看出：实施例3由于利用包覆工艺，实现了PDMS微球的表面碳纳米管包覆，使得PDMS微球表面形成导电层，由于导电层是PDMS与碳纳米管混合组成，因此与PDMS微球的结合牢固。在压力的作用下，微球与微球之间相互挤压，导致导电通路增多，体系电阻降低，实现对压力的响应。此外采用微球结构能有效提高灵敏度，对力学响应准确且灵敏，在低压力0.12kPa下，灵敏度达到了2.08kPa^-1。

将实施例3的柔性电子皮肤进行剪切力响应测试，结果参见图5。从图5可以看出：柔性电子皮肤不仅能对压力的作用产生灵敏的响应，对剪切力也有灵敏的响应，对于剪切力的变化使得体系电阻降低，实现对剪切力的响应。与压力的响应相似，剪切力增大，微球与微球之间相互挤压力增大，表面碳纳米管之间的距离减少，导致导电通路增多，对应于电子皮肤能产生对应的阻变变化，从而实现对剪切力的响应。

将实施例3的柔性电子皮肤进行灵敏度测试，结果参见图6。从图6可以看出：柔性电子皮肤能对压力的作用产生灵敏的响应，而且压力越小，电子皮肤显示出更高的灵敏度，由于利用包覆工艺，实现了PDMS微球的表面碳纳米管包覆，使得PDMS微球表面形成导电层，能对压力的作用产生灵敏的响应。

上述仅为本发明的部分优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明技术方案的构思范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多信号响应柔性电子皮肤，其特征在于：所述柔性电子皮肤内部为PDMS微球，PDMS微球表面覆盖导电层形成壳层结构，所述PDMS微球的粒径为6-40微米，所述壳层厚度为20纳米-30微米。

2.如权利要求1所述的多信号响应柔性电子皮肤，其特征在于：所述导电层为PDMS与导电粉体的混合物，所述导电粉体的添加量为皮肤总质量的1.8％-2.4％。

3.如权利要求2所述的多信号响应柔性电子皮肤，其特征在于：所述导电粉体选自碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、改性氧化石墨烯中的一种或多种。

4.权利要求1所述的多信号响应柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，制备PDMS微球：将PDMS、固化剂、水按照一定比例混合，然后加入乳化剂，混合均匀形成乳液，固化，去离子水冲洗，离心获得PDMS微球；

步骤2，制备导电层包覆的PDMS微球墨水：将PDMS、固化剂、导电粉体按照一定比例混合，混合物与前述制备的PDMS微球按照一定比例混合后搅拌均匀，形成3D打印的原料墨水；

步骤3，将制备的原料墨水通过3D打印机打印成形，固化，制得柔性电子皮肤。

5.如权利要求4所述的多信号响应柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述步骤1中PDMS、固化剂、水的质量比例为(8-12)：1：50。

6.如权利要求4所述的多信号响应柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述步骤1中乳化剂的加入量为4-8wt％。

7.如权利要求4所述的多信号响应柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的乳化剂为羧化壳聚糖。

8.如权利要求4所述的多信号响应柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述步骤1中固化温度为70-90℃。

9.如权利要求4所述的多信号响应柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述步骤2中PDMS、固化剂、导电粉体的质量比例为10:1：(1.1-1.5)。

10.如权利要求4所述的多信号响应柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述步骤2中混合物与PDMS微球的质量比例为1：(3-5)。