CN110231110B - 一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法 - Google Patents
一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110231110B CN110231110B CN201910537102.XA CN201910537102A CN110231110B CN 110231110 B CN110231110 B CN 110231110B CN 201910537102 A CN201910537102 A CN 201910537102A CN 110231110 B CN110231110 B CN 110231110B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- substrate
- conductive layer
- flexible substrate
- electronic skin
- polydimethylsiloxane
- 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.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 170
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims abstract description 56
- 230000001788 irregular Effects 0.000 claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 38
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 30
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 29
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 59
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 59
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 57
- 238000001723 curing Methods 0.000 claims description 26
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 22
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 20
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 13
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 11
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 10
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 10
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 claims description 7
- 239000002042 Silver nanowire Substances 0.000 claims description 7
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 7
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000005337 ground glass Substances 0.000 claims description 7
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 claims description 7
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 6
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 claims description 6
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 6
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 6
- 238000004512 die casting Methods 0.000 claims description 4
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 claims description 2
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims 8
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 108
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 4
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000005338 frosted glass Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000008261 resistance mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
- B32B27/06—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
- B32B27/08—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
- B32B27/28—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42
- B32B27/281—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42 comprising polyimides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
- B32B27/28—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42
- B32B27/283—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42 comprising polysiloxanes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form
- B32B3/02—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions
- B32B3/08—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions characterised by added members at particular parts
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B33/00—Layered products characterised by particular properties or particular surface features, e.g. particular surface coatings; Layered products designed for particular purposes not covered by another single class
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
-
- 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
- A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Physiology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Surgery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Pulmonology (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
本发明涉及一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法，包括：第一柔性衬底：外表面包裹第一封装层、内表面为具有规则形状或不规则形状的第一基底，该第一基底的表面涂有第一导电层，第二柔性衬底：外表面包裹第二封装层、内表面为具有不规则形状的第二基底，该第二基底的表面涂有第二导电层，第二基底与第一基底相对设置，第一柔性衬底及第二柔性衬底的内表面均设有电极。与现有技术相比，本发明所制备得到的器件灵敏度高、线性度宽，所使用的制备工艺简单、成本低，具有批量生产的前景。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，尤其是涉及一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法。
背景技术
使用电子器件模拟人体皮肤成为一个新兴的研究领域引起研究者的极大兴趣，它在人工智能和人机交互领域具有广泛的应用前景。但是，传统的刚性电子器件具有硬而脆的特点，难以承受较大的变形，不适合在柔软的非平面上集成。因此，突破传统刚性电子器件的新型电子产品，即柔性电子器件成为研究者关注的焦点。新型的柔性电子器件通过探测压力、温度、湿度来监测物体的状态，主要用于人体信号监测、假肢皮肤、机器人等领域。
目前常见的电子皮肤基于四种机理，包括圧阻机理、电容机理、压电机理、摩擦电机理。其中，基于圧阻机理的传感器由于其制备工艺简单、成本低廉已经得到广泛应用。
基于圧阻效应的电子皮肤制作过程中，涉及到圧阻材料的制备和结构的制作。纳米材料由于具有优异的电学和力学性能，得到广泛的应用，常用的纳米材料有炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电银纳米线。特殊的基底结构有助于获得高灵敏的电子皮肤，具有规则微观结构序列的三维结构，如半球体、金字塔形、圆柱形，已经被用于制造高灵敏度的电子皮肤。
虽然电子皮肤的研究已经取得了许多成果，但是也面临着很多挑战，主要问题包括：1、器件灵敏度不够高、多方向压力测量、线性范围窄。2、制造工艺复杂，难以实现量产。因此，有必要提出一种新的工艺解决上述技术问题。
中国专利CN108139282A公开了关于敏感力传感器的方法和装置，该装置包括具有第一相对电极和第二相对电极的电子力传感器。第一和第二相对电极被配置为产生指示施加到电子力传感器的力的输出。电子力传感器进一步包括布置在第一和第二相对电极之间并具有多个导电-电阻元件的多个可恢复变形结构。每个可恢复变形结构包括可变导体和可变电阻器中的至少一个，并且被配置和布置有设置电子力传感器的力敏感度的属性。但是，该专利中的变形结构为单一的规则结构，这导致在受力变形时，力的分布在器件上是不均匀的，从而造成导致器件的灵敏度在很小的压力范围内变化很大，灵敏度不稳定。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术中器件灵敏度不够高、多方向压力测量、线性范围窄和制造工艺复杂、成本高的难题而提供一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法，可以应用于人体信号监测和人机交互领域。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高灵敏度电子皮肤，包括：
第一柔性衬底：外表面包裹第一封装层、内表面为具有规则形状或不规则形状的第一基底，该第一基底的表面涂有第一导电层，
第二柔性衬底：外表面包裹第二封装层、内表面为具有不规则形状的第二基底，该第二基底的表面涂有第二导电层，所述第二基底与所述第一基底相对设置，
所述第一柔性衬底及所述第二柔性衬底的内表面均设有电极。
上述第一柔性衬底及第二柔性衬底以及中间设置的具有规则形状或不规则形状的第一基底、具有不规则形状的第二基底结合起来形成一个“三明治”结构，外面包裹一层封装层，固定上下结构，使其良好接触。
优选地，所述规则形状为金字塔形、圆柱形、半球形、圆锥形。
优选地，所述不规则形状为毛玻璃表面形状、制绒硅片表面形状、砂纸表面形状。
优选地，所述第一柔性衬底及所述第二柔性衬底的材质为聚二甲基硅氧烷。
优选地，所述第一导电层及所述第二导电层的材质包括多壁碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯或导电银纳米线。
优选地，所述第一封装层及所述第二封装层的材质包括聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
优选地，所述电极为金属电极，用导电银浆或者焊接的方式连接到导电层。
高灵敏度电子皮肤的制备方法，包括：
规则形状基底制备：
利用光刻技术和/或湿法刻蚀技术得到规则且形状倒置的模板；
配制聚二甲基硅氧烷溶液；
利用铸造法将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板表面，加热固化得到内表面为具有规则形状的第一基底；
不规则形状基底制备：
选用表面结构粗糙的基体作为模板；
配制聚二甲基硅氧烷溶液；
利用铸造法，将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板上，加热固化得到内表面为具有不规则形状的第一基底或第二基底；
混合搅拌制备得到导电层材料溶液；
利用滴铸法在所述第一基底及所述第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层；
在导电层上连接金属导线作为电极，高温固化处理；
将所述第一基底及所述第二基底面对面放置，用键合法封装器件，制备得到高灵敏度电子皮肤。
按质量比10:1-15:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂，配制得到聚二甲基硅氧烷溶液。
优选地，所述表面结构粗糙的基体包括的毛玻璃、制绒硅片或砂纸。
优选地，将导电层材料置于去离子水中，采用超声或磁力搅拌制备得到导电层材料溶液。
优选地，在上下导电层上用导电银浆或电焊方法分别连接金属导线作为电极。
优选地，第一基底及所述第二基底面对面放置，用聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷键合法封装器件。
本申请所提出的是一层为不规则形状、一层为规则形状或不规则形状的“三明治”结构的一种器件，这种结构设计使得器件的工作机理发生变化，尖端结构使得器件在受到微小的力时表现出很高的灵敏度，现有技术中单一的规则结构在受力变形时，力的分布在器件上是不均匀的，这导致器件的灵敏度在很小的压力范围内变化很大，灵敏度不稳定。然而，将均匀的结构和不均匀的结构结合到一起，或者采用两层都是不均匀的结构，由于不均匀结构每个区域的形状不一致，在承受力时，整个器件整体变形，力比较均匀的分散到整个结构上，在比较宽的圧力范围，灵敏度的变化比较稳定。电子皮肤的制造工艺复杂，成本高昂，这导致其应用受限。本申请提出一种新的制造工艺，解决了电子皮肤制造过程中模板的制造成本高昂、难以复用的问题，将滴铸技术应用于电子皮肤的制造工艺中，降低了电子皮肤器件制造的成本。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、高灵敏度、宽线性度。制备的电子皮肤采用双层结构，其中一层采用规则结构或者不规则结构、另一层采用不规则结构，减小了上下表面的接触面积，增加了上下表面的接触电阻，提高了压力感应的灵敏度。由于不规则结构受力变形的一致性，压力的变化被基体均匀承受，从而灵敏度的变化表现出比较宽的线性度。现有技术中，一般采用单一的规则形状设计提高电子皮肤的灵敏度，本发明采用两层不规则结构或者一层不规则一层规则结构的双层结构设计，制造出了具有高灵敏度和宽线性度的电子皮肤。
二、制造工艺简单、成本低，可以实现量产。所述工艺所采用的硅模板可以重复使用，不规则结构模板容易购买、价格便宜，而且可以重复使用，相比之前的电子皮肤器件的制造工艺，降低了成本、简化了工艺。在导电层的制备上，采用了简单的滴铸法，很大程度上降低了制造的成本，具有很大的量产前景。现有技术中，比较多的是采用共混体制造电子皮肤，生产成本较高，器件导电性差，给测试和应用带来很大困难。采用滴铸法在柔性基底表面制造一层导电层，在增强导电性的同时，保证了基底表面的结构，器件表现出很高的灵敏度。传统采用光刻和深硅刻蚀所得到的模板，制造成本高、不能多次使用，本发明采用了可以直接购买的毛玻璃等作为模板，简化了工艺，并且模板可以多次复用，降低了制造成本。
附图说明
图1为高灵敏度电子皮肤的结构示意图。
图中，1-第一封装层、2-第一柔性衬底、3-第一导电层、4第二柔性衬底、5- 第二导电层、6-第二封装层、7-电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
高灵敏度电子皮肤的结构如图1所示，包括相对设置的第一柔性衬底2以及第二柔性衬底4。第一柔性衬底2的外表面包裹第一封装层1、内表面为具有规则形状的第一基底，该第一基底的表面涂有第一导电层3，第二柔性衬底4外表面包裹第二封装层6、内表面为具有不规则形状的第二基底，该第二基底的表面涂有第二导电层5。在第一柔性衬底2及第二柔性衬底4的内表面均设有电极7。上述第二基底与第一基底相对设置，从而使第一柔性衬底2及第二柔性衬底4相对设置形成一个“三明治”结构，外面包裹一层封装层，固定上下结构，使其良好接触。
通过结合光刻技术和湿法刻蚀技术与模铸技术制造具有规则金字塔表面的柔性衬底，利用滴铸技术沉积得到导电层，采用模铸技术制造的不规则结构柔性衬底。
本实施例中，基底采用了聚二甲基硅氧烷，保证了器件具有良好的柔性和延展性，并且经过多次使用，表现出很好的韧性。导电层材料采用了多壁碳纳米管，该材料具有优越的电学性能和力学性能，保证了器件优异的机械性能和电学特性。上部基底表面结构是规则的金字塔形，下部表面是不规则的起伏形状，整体结构是一种“三明治”形的结构，减小了上下部分的接触面积，提高了接触表面的接触电阻，使得器件具有很高的灵敏度。由于下表面的不规则起伏在受力时，整个表面整体形变，力的分散比较均匀，所以器件的灵敏度会出现比较大的线性范围。
电子皮肤的制造方法，包括如下步骤：
步骤一，通过光刻技术和湿法刻蚀技术制造倒金字塔硅模板。先设计好方块阵列版图，然后制造光刻掩模。在硅片表面生长氮化硅作为保护层，然后在氮化硅上面涂光刻胶进行光刻，再显影。接着，用反应离子刻蚀工艺刻蚀图形区域的氮化硅。用湿法刻蚀法刻蚀硅片，得到倒金字塔硅模板。最后用丙酮去除模板表面光刻胶，清洗干净。
步骤二，按质量比10:1-15:1的配制聚二甲基硅氧烷、固化剂，在磁力搅拌器上搅拌均匀后，抽真空，完全去除气泡。
步骤三，把制备好的聚二甲基硅氧烷溶液倾倒在模板表面，静置，待其自然流平。加热固化后，剥离薄膜，获得金字塔结构基底。
步骤四，用乙醇溶液清洗购买的毛玻璃，重复步骤三，得到不规则表面基底。
步骤五，将多壁碳纳米管，加入去离子水中，在超声波清洗机中超声，分散多壁碳纳米管。
步骤六，用注射器吸取制得的碳纳米管分散液，把碳纳米管分散液滴到薄膜表面，加热固化，得到多壁碳纳米管均匀分散在表面的薄膜。
步骤七，用导电银浆分别在两片薄膜的一端粘上铜导线。
步骤八，将两片薄膜面对面放置，用聚酰亚胺封装器件，得到电子皮肤传感器。
对于本实例的一种产品做了测试，该器件承受压力在0.28-1kPa范围，其灵敏度达到190.4kPa-1-64.2kPa-1；1-5kPa灵敏度为62-11.5kPa-1；5-50kPa灵敏度为 11.5-1.5kPa-1，性能上优于文献中报道的一些工作。最低探测压力可以达到32Pa，响应时间为8ms，回复时间为8ms，经过3000次循环载荷后，表现出很好的稳定性和优异的韧性。该器件不但可以探测施压、扭转、弯曲等不同动作，而且还可以用来测量人体脉搏、呼吸等生理信号。
实施例2
一种高灵敏度电子皮肤，包括：
第一柔性衬底：外表面包裹材质为聚酰亚胺的第一封装层、内表面为呈圆柱形规则形状，材质为聚二甲基硅氧烷的第一基底，该第一基底的表面涂有材质为多壁碳纳米管的第一导电层；
第二柔性衬底：外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第二封装层、内表面为具有不规则形状，例如呈毛玻璃表面形状的材质为聚二甲基硅氧烷的第二基底，该第二基底的表面涂有材质为石墨烯的第二导电层；
第二基底与第一基底相对设置。这样第一柔性衬底及第二柔性衬底以及中间设置的具有规则形状的第一基底、具有不规则形状的第二基底结合起来形成一个“三明治”结构，外面包裹一层封装层，固定上下结构，使其良好接触。
在第一柔性衬底及第二柔性衬底的内表面均设有金属电极，采用导电银浆连接到导电层。
高灵敏度电子皮肤的制备方法，包括：
规则形状基底制备：
利用光刻技术得到规则圆柱状且形状倒置的模板；
按质量比15:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂，配制得到聚二甲基硅氧烷溶液；
利用铸造法将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板表面，加热固化得到内表面为具有规则形状的第一基底；
不规则形状基底制备：
选用表面结构粗糙的基体作为模板；
按质量比10:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂，配制得到聚二甲基硅氧烷溶液；
利用铸造法，将聚二甲基硅氧烷溶液倒在毛玻璃上，加热固化得到内表面为具有不规则形状的第二基底；
将导电层材料置于去离子水中，采用超声搅拌制备得到导电层材料溶液；
利用滴铸法在第一基底及第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层；
在导电层上用导电银浆连接金属导线作为电极，高温固化处理；
将第一基底及第二基底面对面放置，用聚酰亚胺键合法封装器件，制备得到高灵敏度电子皮肤。
实施例3
一种高灵敏度电子皮肤，包括：
第一柔性衬底：外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第一封装层、内表面为呈半球形规则形状，材质为聚二甲基硅氧烷的第一基底，该第一基底的表面涂有材质为还原氧化石墨烯的第一导电层；
第二柔性衬底：外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第二封装层、内表面为具有不规则形状，例如呈制绒硅片表面形状的材质为聚二甲基硅氧烷的第二基底，该第二基底的表面涂有材质为还原氧化石墨烯的第二导电层；
第二基底与第一基底相对设置。这样第一柔性衬底及第二柔性衬底以及中间设置的具有规则形状的第一基底、具有不规则形状的第二基底结合起来形成一个“三明治”结构，外面包裹一层封装层，固定上下结构，使其良好接触。
在第一柔性衬底及第二柔性衬底的内表面均设有金属电极，采用焊接的连接到导电层。
高灵敏度电子皮肤的制备方法，包括：
规则形状基底制备：
利用光刻技术得到规则的半球形且倒置的模板；
按质量比10:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂，配制得到聚二甲基硅氧烷溶液；
利用铸造法将聚二甲基硅氧烷溶液倒在毛玻璃表面，加热固化得到内表面为具有规则形状的第一基底；
不规则形状基底制备：
选用表面结构粗糙的基体作为模板；
按质量比12:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂，配制得到聚二甲基硅氧烷溶液；
利用铸造法，将聚二甲基硅氧烷溶液倒在制绒硅片上，加热固化得到内表面为具有不规则形状的第二基底；
将导电层材料置于去离子水中，采用超声搅拌制备得到导电层材料溶液；
利用滴铸法在第一基底及第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层；
在导电层上用导电银浆连接金属导线作为电极，高温固化处理；
将第一基底及第二基底面对面放置，用聚二甲基硅氧烷键合法封装器件，制备得到高灵敏度电子皮肤。
实施例4
一种高灵敏度电子皮肤，包括：
第一柔性衬底：外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第一封装层、内表面为呈圆锥形规则形状，材质为聚二甲基硅氧烷的第一基底，该第一基底的表面涂有材质为导电银纳米线的第一导电层；
第二柔性衬底：外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第二封装层、内表面为具有不规则形状，例如呈砂纸表面形状的材质为聚二甲基硅氧烷的第二基底，该第二基底的表面涂有材质为导电银纳米线的第二导电层；
第二基底与第一基底相对设置。这样第一柔性衬底及第二柔性衬底以及中间设置的具有规则形状的第一基底、具有不规则形状的第二基底结合起来形成一个“三明治”结构，外面包裹一层封装层，固定上下结构，使其良好接触。
在第一柔性衬底及第二柔性衬底的内表面均设有金属电极，采用焊接的连接到导电层。
高灵敏度电子皮肤的制备方法，包括：
规则形状基底制备：
利用光刻技术得到规则的倒置圆锥形的模板；
按质量比15:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂，配制得到聚二甲基硅氧烷溶液；
利用铸造法将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板表面，加热固化得到内表面为具有规则形状的第一基底；
不规则形状基底制备：
选用表面结构粗糙的基体作为模板；
按质量比15:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂，配制得到聚二甲基硅氧烷溶液；
利用铸造法，将聚二甲基硅氧烷溶液倒在砂纸上，加热固化得到内表面为具有不规则形状的第二基底；
将导电层材料置于去离子水中，采用超声搅拌制备得到导电层材料溶液；
利用滴铸法在第一基底及第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层；
在导电层上用导电银浆连接金属导线作为电极，高温固化处理；
将第一基底及第二基底面对面放置，用聚二甲基硅氧烷键合法封装器件，制备得到高灵敏度电子皮肤。
实施例5
一种高灵敏度电子皮肤，包括：
第一柔性衬底：外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第一封装层、内表面为呈制绒硅片表面不规则形状，材质为聚二甲基硅氧烷的第一基底，该第一基底的表面涂有材质为导电银纳米线的第一导电层；
第二柔性衬底：外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第二封装层、内表面为具有不规则形状，例如呈砂纸表面形状的材质为聚二甲基硅氧烷的第二基底，该第二基底的表面涂有材质为导电银纳米线的第二导电层；
第二基底与第一基底相对设置。这样第一柔性衬底及第二柔性衬底以及中间设置的具有不规则形状的第一基底、具有不规则形状的第二基底结合起来形成一个“三明治”结构，外面包裹一层封装层，固定上下结构，使其良好接触。
在第一柔性衬底及第二柔性衬底的内表面均设有金属电极，采用焊接的连接到导电层。
高灵敏度电子皮肤的制备方法，包括：
不规则形状基底制备：
选用表面结构粗糙的基体作为模板；
按质量比15:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂，配制得到聚二甲基硅氧烷溶液；
利用铸造法，将聚二甲基硅氧烷溶液倒在砂纸上，加热固化得到内表面为具有不规则形状的第一基底和第二基底；
将导电层材料置于去离子水中，采用超声搅拌制备得到导电层材料溶液；
利用滴铸法在第一基底及第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层；
在导电层上用导电银浆连接金属导线作为电极，高温固化处理；
将第一基底及第二基底面对面放置，用聚二甲基硅氧烷键合法封装器件，制备得到高灵敏度电子皮肤。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语、“上方”、“底部”、“平行”、“中间”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高灵敏度电子皮肤，其特征在于，包括：
第一柔性衬底：外表面包裹第一封装层、内表面为具有规则形状的第一基底，该第一基底的表面涂有第一导电层，
第二柔性衬底：外表面包裹第二封装层、内表面为具有不规则形状的第二基底，该第二基底的表面涂有第二导电层，所述第二基底与所述第一基底相对设置，
所述第一柔性衬底及所述第二柔性衬底的内表面均设有电极；
所述规则形状为金字塔形、圆柱形、半球形或圆锥形；
所述不规则形状为毛玻璃表面形状、制绒硅片表面形状、砂纸表面形状；
通过结合光刻技术和/或湿法刻蚀技术与模铸技术制造具有规则表面的柔性衬底，利用滴铸技术沉积得到导电层，采用模铸技术制造不规则结构柔性衬底。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤，其特征在于，所述第一柔性衬底及所述第二柔性衬底的材质为聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤，其特征在于，所述第一导电层及所述第二导电层的材质包括多壁碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯或导电银纳米线。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤，其特征在于，所述第一封装层及所述第二封装层的材质包括聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
5.如权利要求1所述的高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于，该方法包括：
规则形状基底制备：
利用光刻技术和/或湿法刻蚀技术得到规则且形状倒置的模板；
配制聚二甲基硅氧烷溶液；
利用铸造法将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板表面，加热固化得到内表面为具有规则形状的第一基底；
不规则形状基底制备：
选用表面结构粗糙的基体作为模板；
配制聚二甲基硅氧烷溶液；
利用铸造法，将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板上，加热固化得到内表面为具有不规则形状的第一基底或第二基底；
混合搅拌制备得到导电层材料溶液；
利用滴铸法在所述第一基底及所述第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层；
在导电层上连接金属导线作为电极，高温固化处理；
将所述第一基底及所述第二基底面对面放置，用键合法封装器件，制备得到高灵敏度电子皮肤。
6.根据权利要求5所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于，按质量比为10:1-15:1混合聚二甲基硅氧烷及固化剂，配制得到聚二甲基硅氧烷溶液。
7.根据权利要求5所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于，将导电层材料置于去离子水中，采用超声或磁力搅拌制备得到导电层材料溶液。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910537102.XA CN110231110B (zh) | 2019-06-20 | 2019-06-20 | 一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910537102.XA CN110231110B (zh) | 2019-06-20 | 2019-06-20 | 一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110231110A CN110231110A (zh) | 2019-09-13 |
| CN110231110B true CN110231110B (zh) | 2024-06-07 |
Family
ID=67856878
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910537102.XA Active CN110231110B (zh) | 2019-06-20 | 2019-06-20 | 一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110231110B (zh) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110579295A (zh) * | 2019-09-16 | 2019-12-17 | 深圳先进技术研究院 | 压力传感器及其制造方法 |
| CN110793681B (zh) * | 2019-09-27 | 2020-12-29 | 北京石墨烯技术研究院有限公司 | 石墨烯压力传感器材料及其制备方法以及压力传感器 |
| CN110579297A (zh) * | 2019-10-18 | 2019-12-17 | 湖北汽车工业学院 | 基于MXene仿生皮肤结构的高灵敏度柔性压阻传感器 |
| CN112964282A (zh) * | 2019-12-13 | 2021-06-15 | 北京联合大学 | 一种智能石墨烯柔性电子皮肤及其制备方法 |
| CN110967131B (zh) * | 2019-12-24 | 2022-05-10 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 柔性导电复合膜及其制备方法、柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN111693188B (zh) * | 2020-05-18 | 2021-08-06 | 南京航空航天大学 | 基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器及其制造方法 |
| CN112378552A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-02-19 | 江汉大学 | 一种复层式电子皮肤 |
| CN115014592B (zh) * | 2021-03-05 | 2024-05-10 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种柔性双功能电子皮肤及其制备方法 |
| CN113503991B (zh) * | 2021-04-12 | 2022-12-09 | 浙江大学 | 一种基于多巴胺修饰聚吡咯导电水凝胶的高灵敏度压阻传感器及其制备方法 |
| CN113465790B (zh) * | 2021-07-20 | 2023-10-31 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种触觉传感器、压力测量装置以及制作方法 |
| CN113776719B (zh) * | 2021-08-13 | 2022-09-20 | 华中科技大学 | 一种柔性多维力传感器、制备方法及其应用 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011118238A1 (ja) * | 2010-03-23 | 2011-09-29 | リンテック株式会社 | プラズマエッチング処理を用いた表面凹凸形成方法および電極部材 |
| CN104359597A (zh) * | 2014-11-13 | 2015-02-18 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种基于三维柔性衬底石墨烯的电子皮肤及其制备方法 |
| CN105203244A (zh) * | 2015-10-20 | 2015-12-30 | 浙江大学 | 一种具有不规则表面微突的电子皮肤及其制备方法 |
| CN106531733A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-03-22 | 清华大学 | 一种柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN109357796A (zh) * | 2018-11-23 | 2019-02-19 | 华东理工大学 | 可穿戴压力传感器及其制造方法 |
| CN109781311A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-05-21 | 济南大学 | 一种柔性电容式压力传感器及其制备方法 |
| CN210154720U (zh) * | 2019-06-20 | 2020-03-17 | 上海交通大学 | 一种高灵敏度电子皮肤 |
-
2019
- 2019-06-20 CN CN201910537102.XA patent/CN110231110B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011118238A1 (ja) * | 2010-03-23 | 2011-09-29 | リンテック株式会社 | プラズマエッチング処理を用いた表面凹凸形成方法および電極部材 |
| CN104359597A (zh) * | 2014-11-13 | 2015-02-18 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种基于三维柔性衬底石墨烯的电子皮肤及其制备方法 |
| CN105203244A (zh) * | 2015-10-20 | 2015-12-30 | 浙江大学 | 一种具有不规则表面微突的电子皮肤及其制备方法 |
| CN106531733A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-03-22 | 清华大学 | 一种柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN109357796A (zh) * | 2018-11-23 | 2019-02-19 | 华东理工大学 | 可穿戴压力传感器及其制造方法 |
| CN109781311A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-05-21 | 济南大学 | 一种柔性电容式压力传感器及其制备方法 |
| CN210154720U (zh) * | 2019-06-20 | 2020-03-17 | 上海交通大学 | 一种高灵敏度电子皮肤 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110231110A (zh) | 2019-09-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110231110B (zh) | 一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法 | |
| CN109883583B (zh) | 一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器 | |
| Li et al. | Engineered microstructure derived hierarchical deformation of flexible pressure sensor induces a supersensitive piezoresistive property in broad pressure range | |
| CN110082010A (zh) | 柔性触觉传感器阵列及应用于其的阵列扫描系统 | |
| CN102207415B (zh) | 基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器及制造方法 | |
| CN111248888B (zh) | 具有表面多级微结构的弹性体薄膜及其制备方法与含该弹性体薄膜的柔性压力传感器 | |
| CN110375895B (zh) | 多功能全柔性指纹状触觉传感器 | |
| CN111693188B (zh) | 基于可视化电阻抗层析成像技术的压阻式柔性传感器及其制造方法 | |
| CN103616097A (zh) | 一种柔性薄膜触觉传感器件及其制作方法 | |
| CN113237579B (zh) | 一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器及其制备方法 | |
| CN109770866B (zh) | 一种高灵敏度电子皮肤的制备方法 | |
| Zhao et al. | Biomimetic-inspired highly sensitive flexible capacitive pressure sensor with high-aspect-ratio microstructures | |
| CN106092384A (zh) | 电容型压力传感器及其制备方法 | |
| CN111693189B (zh) | 一种新型柔性力敏传感器及其制备方法 | |
| Yu et al. | Two-sided topological architecture on a monolithic flexible substrate for ultrasensitive strain sensors | |
| CN115356007B (zh) | 一种温度压力双模传感单元、制备方法及其制备的传感器 | |
| KR20190062020A (ko) | 스트레인 센싱 소자, 이를 이용한 어레이 센서 및 이의 제조방법 | |
| CN210154720U (zh) | 一种高灵敏度电子皮肤 | |
| CN203965077U (zh) | 一种柔性薄膜触觉传感器 | |
| CN109738097A (zh) | 一种多功能电子皮肤及其制作方法、平面外力检测方法 | |
| CN109445248A (zh) | 利用毛细作用压印金属纳米线的方法及应用 | |
| CN112429700A (zh) | 一种压敏结构柔性压力传感器的制备方法 | |
| CN110301909B (zh) | 一种抗干扰柔性生物电干电极及其制备方法 | |
| Hou et al. | Porous fiber paper and 3D patterned electrodes composed high-sensitivity flexible piezoresistive sensor for physiological signal monitoring | |
| Ding et al. | Molding-free fully-printed flexible tactile sensors with performance-enhancing microstructures |
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 | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 200030 Dongchuan Road, Minhang District, Minhang District, Shanghai Applicant after: SHANGHAI JIAO TONG University Address before: 200030 Huashan Road, Shanghai, No. 1954, No. Applicant before: SHANGHAI JIAO TONG University |
|
| GR01 | Patent grant |