CN110514326A - 一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压电‑摩擦电混合型自驱动电子皮肤，其特征在于，包括摩擦电传感部分以及设于其下侧的压电传感部分，所述的摩擦电传感部分包括柔性透明多孔电负性薄膜以及设于柔性透明多孔电负性薄膜下侧的第一柔性导电织物电极，所述的压电传感部分包括压电纳米纤维薄膜以及分别设于压电纳米纤维膜的上、下两侧的第二柔性导电织物电极和第三柔性导电织物电极，所述的压电纳米纤维膜通过静电纺丝技术得到，所述的柔性透明多孔电负性薄膜为以荷叶为模板制备得到的多孔结构。本发明制备得到的多功能柔性自驱动电子皮肤无需外部额外电源驱动，确保传感的准确性和人体穿戴的舒适性。

Description

一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤及其制备方法
技术领域
本发明属于新型柔性传感器技术领域，具体涉及一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤及其制备方法。
背景技术
生物皮肤主要承担着防御保护、排汗可呼吸、感知冷热和压力等功能。电子皮肤是一类能够模仿人类皮肤保护、感知、调节等功能的可穿戴仿生触觉传感器。作为新型人造柔性电子器件，电子皮肤除了具备生物皮肤的基本功能外，还能够通过创造或再造感应响应系统，实现人类皮肤组织没有的特殊功能。电子皮肤关系到柔性机器人、医疗设备、人体假肢等载体的智能化和多功能化，是一个多学科交叉并迅速发展的领域。其中，具有人体生理信号监测功能的触觉传感型电子皮肤受到众多研究人员的广泛关注。这类传感器能够监测人体脉搏、心率、血压或血糖等指标，并将其转化为数字信号，为疾病预防和诊断提供参考依据。
近年来，研究者根据不同原理，设计不同的器件结构，逐步开发出性能不断优越、功能不断丰富的压电式电子皮肤。大多数电子皮肤不具备物体性质和形状传感、生理信号脉搏传感同时实现的功能。而且其制备过程大多涉及等离子体处理、物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射等微纳处理手段，这些方法除了工艺复杂、成本高、流程长且需要外部电源供电，硬质笨重的电源不但影响了人体穿戴的舒适性，且无法与人体保持紧密无缝地贴合，极大地影响了传感信号的保真度。此外，频繁地更换电池或者充电也十分不便，尤其是在紧急情况。因此压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的设计与制备是促进电子皮肤面向多领域实际应用的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤及其制备方法，根据压电和摩擦电原理，结合静电纺丝技术和转移印刷技术，制备得到多功能柔性自驱动电子皮肤，确保传感的准确性和人体穿戴的舒适性，并实现电子皮肤在物体性质和形状传感、脉搏生理信号传感等多领域的应用。
为了达到上述目的，本发明提供了一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤，其特征在于，包括摩擦电传感部分以及设于其下侧的压电传感部分，所述的摩擦电传感部分包括柔性透明多孔电负性薄膜以及设于柔性透明多孔电负性薄膜下侧的第一柔性导电织物电极，所述的压电传感部分包括压电纳米纤维薄膜以及分别设于压电纳米纤维膜的上、下两侧的第二柔性导电织物电极和第三柔性导电织物电极，所述的压电纳米纤维膜通过静电纺丝技术得到，所述的柔性透明多孔电负性薄膜为以荷叶为模板制备得到的多孔结构。
优选地，所述的摩擦电传感部分以及压电传感部分通过封装工艺进行复合。
更优选地，所述的封装工艺包括旋涂工艺、浸渍加工、涂层加工、激光切割、热压封装和浸轧加工中的一种或多种组合。
优选地，所述的第一柔性导电织物电极和第二柔性导电织物电极之间设有第一柔性透明封装层，所述的第三柔性导电织物电极的下侧设有第二柔性透明封装层。
优选地，所述的第一柔性透明封装层和第二柔性透明封装层通过热固化技术得到。
更优选地，所述的热固化为：加热升温至60～200℃，并保持0.5～12h。
优选地，所述的柔性透明多孔电负性薄膜的厚度为20-200μm，所述的第一、第二、第三柔性导电织物电极的厚度均为10-40μm，所述的压电纳米纤维薄膜的厚度均为20-100μm，所述的第一、第二柔性透明封装层的厚度均为10-40μm。
优选地，所述的柔性透明多孔电负性薄膜的制备方法包括：配制电负性聚合物溶液；将所述的溶液通过旋涂或者涂布工艺施加在荷叶表面，通过热固化处理得到多孔的柔性透明多孔电负性薄膜。
优选地，所述的压电纳米纤维膜的制备方法包括：将用于增强柔性压电纳米纤维压电性能的无机纳米填料通过超声分散在相应的有机溶剂中，形成分散液；将用于柔性压电纳米纤维的压电聚合物粉末或者母粒加入到所述的分散液中，通过加热搅拌形成有机无机复合的静电纺丝溶液；将得到的静电纺丝溶液加入到静电纺丝装置的注射器中，静电纺丝制备得到压电纳米纤维膜。
优选地，所述的透明柔性封装薄膜的制备方法包括：将用于柔性透明封装层的聚合物溶解到相应的溶剂中得到均匀的聚合物溶液；将制备得到的聚合物溶液涂布或旋涂在玻璃板或者聚酯板上，热固化形成透明柔性封装薄膜。
本发明还提供了上述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括：
第一步：将电负性聚合物溶液通过旋涂或者涂布工艺施加在荷叶表面，通过热固化处理得到柔性透明多孔电负性薄膜；
第二步：将用于增强柔性压电纳米纤维压电性能的无机纳米填料通过超声分散在相应的有机溶剂中，形成分散液；将用于柔性压电纳米纤维的压电聚合物加入到所述的分散液中，搅拌形成静电纺丝溶液；静电纺丝得到压电纳米纤维膜；
第三步：将用于形成柔性透明封装层的聚合物溶液涂布或旋涂在玻璃板或者聚酯板上，热固化形成第一柔性透明封装层和第二柔性透明封装层；
第四步：将第一步得到的柔性透明多孔电负性薄膜与第一柔性导电织物电极进行复合，得到摩擦电传感部分；将第二步得到的压电纳米纤维膜夹在第二、第三柔性导电织物电极之间，形成压电传感部分，排成阵列，用第三步制备的第一柔性透明封装层和第二柔性透明封装层进行封装；
第五步：将第四步得到的摩擦电传感部分和封装后的压电传感部分以摩擦电传感部分在上、压电传感部分在下的顺序进行复合，形成压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤。
优选地，所述的第一步中的电负性聚合物为聚二甲基硅氧烷及其固化剂、聚偏氟乙烯、聚醚酰亚胺、聚对苯二甲酸类、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯醚、聚三氟乙烯、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯-三氟乙烯和聚偏氟乙烯-六氟丙烯中的一种，或者任意两种以上的混合物。
优选地，所述的电负性聚合物溶液中聚合物的总浓度为5-100％(不包含100％)。
优选地，所述的第一步中的搅拌参数为：温度控制范围为20～80℃，搅拌时间为1～24h。
优选地，所述的第一步中电负性聚合物溶液的溶剂为乙醇、四氢呋喃、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸、N,N-二甲基乙酰胺、丙酮、异丙醇二氯甲烷、甲酸、三氟乙酸、三氯甲烷以及六氟异丙醇中的一种或者任意两种以上的混合物。
优选的，所述的第二步中的无机纳米填料为铁晶体管铌酸锂、碳纳米管、镓酸锂、银纳米线、钽酸锂、氧化石墨烯、锗酸锂、石墨烯、钛酸钡、氧化锌、锆钛酸铅以及锗酸钛中的一种，或者任意两种以上的混合物。
优选地，所述的第二步中的聚合物为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯醚、聚三氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、聚丙烯腈以及聚偏氟乙烯-六氟丙烯中的一种或者任意两种以上的混合物。
优选地，所述的第二步中的静电纺丝溶液中压电聚合物的总浓度为10-30％。
优选地，所述的第二步中的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、甲醇、N,N-二甲基乙酰胺、乙醇、二氯甲烷、乙酸、三氯甲烷、异丙醇、N,N-二甲基乙酰胺以及六氟异丙醇中的一种或者任意两种以上的混合物。
优选地，所述的第二步中的搅拌参数为：温度控制范围为10～90℃，搅拌时间为1～48h。
优选地，所述的第二步中的静电纺丝技术参数为：灌注速度0.2～6mL/h，电压5～40kV，接收距离3～40cm，相对湿度10～90％，温度10～35℃。
优选地，所述的第三步中的用于形成柔性透明封装层的聚合物为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷以及甲基含氢聚硅氧烷的一种或者两种的混合物。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明制备得到的混合型电子皮肤由压电传感和摩擦电传感两部分构成，结合两种传感的优势。使得电子皮肤不再具有仅仅单一的压力传感功能，实现了电子皮肤物体同时具备形状和性质传感、生理信号脉搏传感等功能。所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的压电传感部分的电信号通过测量第二柔性导电织物电极和第一柔性导电织物电极之间的电势差信号得到，摩擦电传感部分的电信号由测量第一柔性导电织物电极得到的电势差信号得到。同时测量时可将摩擦电传感部分和压电传感部分并联接入电阻箱测量电压信号。
1、基于压电效应和摩擦电效应制备的柔性混合型电子皮肤可直接将外界压力刺激转化为电信号，具有较高的灵敏度，无需外部电源供电设备，大幅度简化装置，使得电子皮肤柔软轻薄，大大提高了电子皮肤的可穿戴性。
2、本发明结合静电纺丝和涂布等工艺，成功的制备了多功能柔性电子皮肤，保证触感传感信号的保真度。相对于高精度复杂的微纳加工技术，其制备工艺简单，成本低，使其具有工业化生产的潜力。
3、本发明制备的电子皮肤可有效监测外力变化，不仅能分辨被接触物体的形状和性质，可实现对人体脉搏生理信号的实时监测，具有较高灵敏度和形状自适应特征确保人体穿戴舒适性，在医疗健康、人工智能、智能假肢等领域有着广泛的应用空间。
4、本发明制得的到多功能柔性自驱动电子皮肤无需外部额外电源驱动，确保传感的准确性和人体穿戴的舒适性，并实现了电子皮肤在物体性质和形状传感、脉搏生理信号传感等多领域的应用。
附图说明
图1为实施例1中制备得到的一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤；
图2为实施例1中制备得到的柔性透明多孔电负性摩擦层的扫描电子显微镜图片。
图3为实施例1中制备得到的压电纳米纤维膜的扫描电子显微镜图片。
图4为实施例1中商业化的柔性导电织物电极的扫描电子显微镜图片。
图5为实施例1中制备得到的一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的人体生理脉搏信号测试结果。
图6为实施例2中制备得到的一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的触觉传感测试结果。
图7为实施例3中制备得到的一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的物体性质分辨性能测试结果。
图8为压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤产品图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
以下实施例中所用到的各原料均为市售产品。
实施例1
如图1所示，一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤，包括摩擦电传感部分以及设于其下侧的压电传感部分，所述的摩擦电传感部分包括柔性透明多孔电负性薄膜1以及设于柔性透明多孔电负性薄膜1下侧的第一柔性导电织物电极21(浙江三元电子科技有限公司，PA37CH，18微米)，所述的压电传感部分包括压电纳米纤维薄膜4以及分别设于压电纳米纤维膜4的上、下两侧的第二柔性导电织物电极22(浙江三元电子科技有限公司，PA37CH，18微米)和第三柔性导电织物电极23(浙江三元电子科技有限公司，PA37CH，18微米)，所述的压电纳米纤维膜4通过静电纺丝技术得到，所述的柔性透明多孔电负性薄膜1为以荷叶为模板制备得到的多孔结构。
所述的摩擦电传感部分以及压电传感部分通过封装工艺进行复合。所述的第一柔性导电织物电极21和第二柔性导电织物电极22之间设有第一柔性透明封装层31，所述的第三柔性导电织物电极23的下侧设有第二柔性透明封装层32。所述的第一柔性透明封装层31和第二柔性透明封装层32通过热固化技术得到。所述的第一柔性导电织物电极21、第二柔性导电织物电极22、第三柔性导电织物电极23都接有1毫米宽的1厘米长的导电织物引线。
所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的制备方法为：
第一步：将10g的预聚物聚二甲基硅氧烷(PDMS)(美国道康宁公司，Sylgard 184A)和1g固化剂(美国道康宁公司，Sylgard 184B)混合，在室温(25℃)的条件下进行搅拌20分钟，并在300W的条件下超声30分钟消泡处理，得到电负性聚合物溶液。通过涂布机，将所得的电负性聚合物溶液涂布在洁净的荷叶表面，并在烘箱中100℃固化3小时成膜。随后将PDMS与荷叶进行分离，超声清洗，自然晾干，得到150微米厚的柔性透明多孔电负性薄膜。
第二步：将150mg的多壁碳纳米管加入到30g N,N-二甲基甲酰胺和20g丙酮的混合溶剂中，在室温(25℃)和300W的条件下进行超声分散2小时形成均一稳定的分散液。将10g聚偏氟乙烯(重均分子量为570 000)加入上述分散液中，在50℃的水浴条件下搅拌5h形成均匀的有机无机复合的静电纺丝溶液，待其自然冷却至室温，将得到的静电纺丝溶液加入到静电纺丝装置的注射器中，将其通过静电纺丝工艺纺丝成压电纳米纤维膜。具体纺丝参数为：电压25kV，接收距离20cm，灌注速度2mL/h，芯部温度25℃，相对湿度45％，进行静电纺丝制备厚度为70μm的压电纳米纤维薄膜。
第三步：将10g的聚二甲基硅氧烷(PDMS)(美国道康宁公司，Sylgard 184A)和1g固化剂(美国道康宁公司，Sylgard 184B)混匀，在室温(25℃)的条件下进行搅拌20分钟，并在300W的条件下超声30分钟消泡处理，得到均匀的聚合物溶液。通过涂布机，将所得的聚合物溶液涂布在洁净的玻璃板上，并在烘箱中100℃固化3小时成膜。随后将形成的PDMS与玻璃板进行分离，得到75微米厚的第一柔性透明封装层和第二柔性透明封装层。
第四步：将第一步、第二步、第三步得到的柔性透明多孔电负性薄膜、压电纳米纤维膜(1×1cm2)、和第一、第二、第三柔性导电织物电极进行激光切割得到1cm2的正方形，将第一步得到电负性摩擦层和具有粘性的商业化第一柔性织物电极复合，制备成摩擦电传感部分；另外将压电纳米纤维膜夹在第二、第三柔性导电织物电极之间形成三明治结构，即为压电传感部分，排成4×4的阵列，随后用第一柔性透明封装层和第二柔性透明封装层把所述的阵列进行封装。
第五步：将第四步得到的摩擦电传感部分和封装后的压电传感部分以摩擦电传感部分在上、压电传感部分在下的顺序放置，通过120℃热压30分钟进行复合，得到如图8所示的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤，该电子皮肤包含多个排列成阵列的传感单元，传感单元结构如图1所示。
图2为步骤一制备得到的柔性透明多孔电负性摩擦层扫描电子显微镜图片，表明电负性摩擦层具有以荷叶为模板制得的多孔结构，有利于提高传感的灵敏度。图3为步骤二制备得到的压电纤维的电镜图片，图4为商业化织物电极的扫描电镜图片。
将所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤贴在人体手腕处对人体脉搏的生理信号进行监测，结果如图5所示，图中的纵坐标为单个传感单元的整体输出信号(即第一柔性导电织物电极21和第三柔性导电织物电极23之间的电势差信号)，结果表明电子皮肤对脉搏具有灵敏的传感作用。
实施例2
如图1所示，一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤，包括摩擦电传感部分以及设于其下侧的压电传感部分，所述的摩擦电传感部分包括柔性透明多孔电负性薄膜1以及设于柔性透明多孔电负性薄膜1下侧的第一柔性导电织物电极21(浙江三元电子科技有限公司，PA37CH，18微米)，所述的压电传感部分包括压电纳米纤维薄膜4以及分别设于压电纳米纤维膜4的上、下两侧的第二柔性导电织物电极22(浙江三元电子科技有限公司，PA37CH，18微米)和第三柔性导电织物电极23(浙江三元电子科技有限公司，PA37CH，18微米)，所述的压电纳米纤维膜4通过静电纺丝技术得到，所述的柔性透明多孔电负性薄膜1为以荷叶为模板制备得到的多孔结构。
所述的摩擦电传感部分以及压电传感部分通过封装工艺进行复合。所述的第一柔性导电织物电极21和第二柔性导电织物电极22之间设有第一柔性透明封装层31，所述的第三柔性导电织物电极23的下侧设有第二柔性透明封装层32。所述的第一柔性透明封装层31和第二柔性透明封装层32通过热固化技术得到。所述的第一柔性导电织物电极21、第二柔性导电织物电极22、第三柔性导电织物电极23都接有1毫米宽的1厘米长的导电织物引线。
所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的制备方法为：
第一步：将1.5g聚偏氟乙烯(美国苏威有限公司，型号：1015，重均分子量57万)溶解于6gN,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在水浴锅80℃的条件下进行加热搅拌5小时溶解，得到电负性聚合物溶液，取出冷却后在100W的条件下超声1小时消泡处理。通过旋涂工艺，将聚偏氟乙烯溶液旋涂在洁净的荷叶表面，并在烘箱中100℃固化2小时成膜。随后将聚偏氟乙烯薄膜与荷叶进行分离，超声清洗，自然晾干，得到100微米厚的柔性透明多孔电负性薄膜。
第二步：将200mg的氧化石墨烯加入到25g N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在室温(25℃)和300W的条件下进行超声分散2小时形成均一稳定的分散液。将12g聚丙烯腈加入上述分散液中，在室温下搅拌10h形成均匀的纺丝溶液，并将其通过静电纺丝工艺纺丝成压电纳米纤维膜。具体纺丝参数为：电压15kV，接收距离15cm，灌注速度1mL/h，相对湿度65％，温度为室温25℃，进行静电纺丝制备厚度为100μm的氧化石墨烯掺杂的聚丙烯腈压电纳米纤维薄膜。
第三步：将2g聚氨酯(巴斯夫中国有限公司，型号：B95A52)溶解于8gN,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在室温(25℃)下搅拌溶解6小时，并在200W的条件下超声40分钟消泡处理，得到均匀的聚合物溶液。通过涂布机，将聚氨酯旋涂在洁净的聚酯板上，并在烘箱中80℃条件下热固化2小时得到50微米厚的弹性的第一柔性透明封装层和第二柔性透明封装层。
第四步：将第一步、第二步、第三步得到的柔性透明多孔电负性薄膜、压电纳米纤维膜、和第一、第二、第三柔性导电织物电极进行激光切割得到2.25cm2的正方形，将第一步得到电负性摩擦层和具有粘性的商业化第一柔性织物电极物理复合，制备成摩擦电传感部分；另外将压电纳米纤维膜夹在第二、第三柔性导电织物电极之间，形成三明治结构，即为压电传感部分，排成阵列，随后用第一柔性透明封装层和第二柔性透明封装层把阵列进行封装。
第五步：将第四步得到的摩擦电传感部分和压电传感部分以摩擦电传感部分在上、压电传感部分在下的顺序设置，通过热压技术形成稳定的复合结构，热压温度为100℃，时间为6小时，然后得到压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤。该电子皮肤包含多个排列成阵列的传感单元，传感单元结构如图1所示。
对所得的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤进行触觉传感性能测试，结果如图6所示，图中的纵坐标为单个传感单元的整体输出信号(即第一柔性导电织物电极21和第三柔性导电织物电极23之间的电势差信号)，从图中可以看出随着手指按压力度的增加，电子皮肤传感单元的输出逐渐增加，结果表明电子皮肤具有灵敏的触觉传感作用。
实施例3
如图1所示，一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤，包括摩擦电传感部分以及设于其下侧的压电传感部分，所述的摩擦电传感部分包括柔性透明多孔电负性薄膜1以及设于柔性透明多孔电负性薄膜1下侧的第一柔性导电织物电极21(浙江三元电子科技有限公司，PA37CH，18微米)，所述的压电传感部分包括压电纳米纤维薄膜4以及分别设于压电纳米纤维膜4的上、下两侧的第二柔性导电织物电极22(浙江三元电子科技有限公司，PA37CH，18微米)和第三柔性导电织物电极23(浙江三元电子科技有限公司，PA37CH，18微米)，所述的压电纳米纤维膜4通过静电纺丝技术得到，所述的柔性透明多孔电负性薄膜1为以荷叶为模板制备得到的多孔结构。
所述的摩擦电传感部分以及压电传感部分通过封装工艺进行复合。所述的第一柔性导电织物电极21和第二柔性导电织物电极22之间设有第一柔性透明封装层31，所述的第三柔性导电织物电极23的下侧设有第二柔性透明封装层32。所述的第一柔性透明封装层31和第二柔性透明封装层32通过热固化技术得到。所述的第一柔性导电织物电极21、第二柔性导电织物电极22、第三柔性导电织物电极23都接有1毫米宽的1厘米长的导电织物引线。
所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的制备方法为：
第一步：将3g聚苯乙烯(东莞市胜浩塑胶原料有限公司，型号：PG-383)加入到10gN,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在水浴锅40℃的条件下进行加热搅拌7小时溶解，得到电负性聚合物溶液，取出冷却后在200W的条件下超声40分钟消泡处理。通过涂布机，将聚苯乙烯溶液旋涂在洁净的荷叶表面，并在烘箱中80℃固化3小时成膜。随后将聚苯乙烯薄膜与荷叶进行分离，超声清洗，自然晾干，得到200微米厚的柔性透明多孔电负性薄膜。
第二步：将50mg的银纳米线加入到28g N,N-二甲基甲酰胺和20g丙酮的混合溶剂中，在室温下用300W的功率进行超声分散3小时形成均一稳定的分散液。将15g聚偏氟乙烯-三氟乙烯(北京杰创宏达电子有限公司，偏氟乙烯：三氟乙烯＝80:20)加入上述分散体系中，在水浴锅60℃条件下加热搅拌5h形成均一稳定的溶液，将其加入到静电纺丝装置中的注射器中，并纺丝制备成压电纤维。具体纺丝参数为：电压30kV，接收距离25cm，灌注速度3mL/h，相对湿度40％，温度为室温25℃，进行静电纺丝制备厚度为120μm的银纳米线掺杂的压电纳米纤维膜。
第三步：将2g聚氨酯(巴斯夫中国有限公司，型号：B95A52)加入到8gN,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在室温下搅拌溶解6小时，并在100W的条件下超声2小时消泡处理，得到均匀的聚氨酯溶液。通过旋涂工艺，将聚氨酯溶液旋涂在洁净的玻璃板上，并在烘箱中100℃条件下热固化1.5小时，得到100微米厚的弹性的第一柔性透明封装层和第二柔性透明封装层。
第四步：将第一步、第二步、第三步得到的柔性透明多孔电负性薄膜、压电纳米纤维膜、和第一、第二、第三柔性导电织物电极进行激光切割得到0.25cm2的正方形，将第一步得到电负性摩擦层和具有粘性的商业化第一柔性织物电极物理复合，制备成摩擦电传感部分；另外将压电纳米纤维膜夹在第二、第三柔性导电织物电极之间形成三明治结构，即为压电传感部分，排成阵列，随后用第一柔性透明封装层和第二柔性透明封装层把阵列进行封装。
第五步：将第四步得到的摩擦电传感部分和压电传感部分以摩擦电传感部分在上、压电传感部分在下的顺序设置，通过真空热封技术(100摄氏度)封装形成稳定的复合结构，得到压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤。该电子皮肤包含多个排列成阵列的传感单元，传感单元结构如图1所示。
对所得的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤进行对物体性质分辨的测试。用不同性质物体以同样的外力(10N)撞击电子皮肤，外力用Mark-10测力计装置测试得到，测试单个传感单元的整体输出信号(即第一柔性导电织物电极21和第三柔性导电织物电极23之间的电势差信号)，实现电子皮肤单个传感器对物体性质分辨。测试结果如图7所示，从测试结果中可以看出对于不同的物体，电子皮肤具有不同的输出相应，结果表明电子皮肤具有灵敏的分辨物体性质的功能。

Claims (10)

1.一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤，其特征在于，包括摩擦电传感部分以及设于其下侧的压电传感部分，所述的摩擦电传感部分包括柔性透明多孔电负性薄膜以及设于柔性透明多孔电负性薄膜下侧的第一柔性导电织物电极，所述的压电传感部分包括压电纳米纤维薄膜以及分别设于压电纳米纤维膜的上、下两侧的第二柔性导电织物电极和第三柔性导电织物电极，所述的压电纳米纤维膜通过静电纺丝技术得到，所述的柔性透明多孔电负性薄膜为以荷叶为模板制备得到的多孔结构。
2.如权利要求1所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤，其特征在于，所述的摩擦电传感部分以及压电传感部分通过封装工艺进行复合。
3.如权利要求1所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤，其特征在于，所述的第一柔性导电织物电极和第二柔性导电织物电极之间设有第一柔性透明封装层，所述的第三柔性导电织物电极的下侧设有第二柔性透明封装层。
4.如权利要求1所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤，其特征在于，所述的柔性透明多孔电负性薄膜的厚度为20-200μm，所述的第一、第二、第三柔性导电织物电极的厚度均为10-40μm，所述的压电纳米纤维薄膜的厚度均为20-100μm，所述的第一、第二柔性透明封装层的厚度均为10-40μm。
5.权利要求1-4中任一项所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括：
第一步：将电负性聚合物溶液通过旋涂或者涂布工艺施加在荷叶表面，通过热固化处理得到柔性透明多孔电负性薄膜；
第二步：将用于增强柔性压电纳米纤维压电性能的无机纳米填料通过超声分散在相应的有机溶剂中，形成分散液；将用于柔性压电纳米纤维的压电聚合物加入到所述的分散液中，搅拌形成静电纺丝溶液；静电纺丝得到压电纳米纤维膜；
第三步：将用于形成柔性透明封装层的聚合物溶液涂布或旋涂在玻璃板或者聚酯板上，热固化形成第一柔性透明封装层和第二柔性透明封装层；
第四步：将第一步得到的柔性透明多孔电负性薄膜与第一柔性导电织物电极进行复合，得到摩擦电传感部分；将第二步得到的压电纳米纤维膜夹在第二、第三柔性导电织物电极之间，形成压电传感部分，排成阵列，用第三步制备的第一柔性透明封装层和第二柔性透明封装层进行封装；
第五步：将第四步得到的摩擦电传感部分和封装后的压电传感部分以摩擦电传感部分在上、压电传感部分在下的顺序进行复合，形成压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤。
6.如权利要求5所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述的第一步中的电负性聚合物为聚二甲基硅氧烷及其固化剂、聚偏氟乙烯、聚醚酰亚胺、聚对苯二甲酸类、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯醚、聚三氟乙烯、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯-三氟乙烯和聚偏氟乙烯-六氟丙烯中的一种，或者任意两种以上的混合物。
7.如权利要求5所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述的第二步中的无机纳米填料为铁晶体管铌酸锂、碳纳米管、镓酸锂、银纳米线、钽酸锂、氧化石墨烯、锗酸锂、石墨烯、钛酸钡、氧化锌、锆钛酸铅以及锗酸钛中的一种，或者任意两种以上的混合物。
8.如权利要求5所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述的第二步中的聚合物为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯醚、聚三氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、聚丙烯腈以及聚偏氟乙烯-六氟丙烯中的一种或者任意两种以上的混合物。
9.如权利要求5所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述的第二步中的静电纺丝技术参数为：灌注速度0.2～6mL/h，电压5～40kV，接收距离3～40cm，相对湿度10～90％，温度10～35℃。
10.如权利要求5所述的压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述的第三步中的用于形成柔性透明封装层的聚合物为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷以及甲基含氢聚硅氧烷的一种或者两种的混合物。
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