CN110693469A - 一种具有分级压峰结构的电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，并公开了一种具有分级压峰结构的电子皮肤及其制备方法，该电子皮肤包括柔性衬底和电极封装层，柔性衬底表面具有凸起结构，凸起结构表面溅射有压敏感应层，电极封装层为下表面具有导电功能的柔性薄膜，其下表面制备有网状的绝缘网层，电极封装层设置在凸起结构的顶部，且其上的绝缘网层与凸起结构顶部贴合，绝缘网层与所述柔性衬底边缘之间还设置有保持架，保持架的上表面与绝缘网层粘接，下表面与柔性衬底粘接。所述方法包括以下步骤：制备表面溅射有压敏感应层的柔性衬底；制备带绝缘网层的电极封装层；制备保持架并封装。本发明可获得灵敏度高、感应范围广的电子皮肤，具有简单易得，性能优异等优点。

Description

一种具有分级压峰结构的电子皮肤及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，更具体地，涉及一种具有分级压峰结构的电子皮肤及其制备方法。

背景技术

柔性压力传感器的基本原理是将机械压力激励转化为可读的电学信号，其因为在可穿戴医疗监控设备、软机器人、人机交互和电子皮肤等方面的潜在应用而受到广泛关注。例如，通过分析发声过程中声带的振动信号来进行语音识别，通过心脏的振动信号来诊断心脏功能。

为了使柔性压力传感器能感知各种压力刺激，柔性压力传感器必须在两个关键参数上表现出优异的性能：一是检测范围(可拉伸性)，二是灵敏度。可拉伸性是指柔性应变传感器的测试范围，应当能满足特定场景下对应变量的需求，如脉冲检测(小于1％)对小范围应变的检测需求，关节弯曲检测(不低于40％)对较大范围应变的检测需求等。灵敏度用来描述柔性应变传感器的分辨率，高灵敏度意味着可以精确地检测微小的应变变化，如发声振动、呼吸、脉搏等。因此，理想状态下的柔性应变传感器应具有较大的测试范围，以满足普遍的使用需求，在对应的测试范围内有很高的灵敏度。

目前出现了各式各样的柔性压力传感器，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。然而，这些柔性压力传感器不能同时检测上述各种压力范围的压力，因为变形引起的接触面积变化或者在较低的压力范围内已经饱和无法检测大的压力，或者在较低的压力范围内电阻变化不明显无法反应小的压力变化。为获得更大的检测范围，激光蚀刻石墨烯工艺和砂纸二次软模板复制等工艺被提出并获得了大的检测范围。然而，低灵敏度和砂纸模板不规则的表面形态限制了它们的应用前景。因此，需要进行研究设计，以获得感应范围广且灵敏度高的柔性压力传感器。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有分级压峰结构的电子皮肤及其制备方法，其通过对电子皮肤具体结构的设计，可获得灵敏度高、感应范围广的具有分级压峰结构的电子皮肤，具有简单易得，性能优异等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种具有分级压峰结构的电子皮肤，其包括柔性衬底和电极封装层，其中：

所述柔性衬底的表面具有凸起结构，该凸起结构作为电子皮肤的第一级压峰，其表面溅射有压敏感应层；

所述电极封装层为下表面具有导电功能的柔性薄膜，其下表面还制备有网状结构的绝缘网层，该电极封装层设置在所述凸起结构的顶部，并且其上的绝缘网层与凸起结构的顶部贴合，该凸起结构及其上的压敏感应层位于所述绝缘网层网孔处的部分在后续受压过程中将进一步形成凸起以作为电子皮肤的第二级压峰；

所述绝缘网层与所述柔性衬底边缘之间还设置有保持架，该保持架的上表面与绝缘网层粘接，下表面与柔性衬底粘接。

作为进一步优选的，所述柔性衬底由杨氏模量为50kPa-3MPa的柔性材料制成，所述凸起结构的高度为50μm-1000μm。

作为进一步优选的，所述压敏感应层由电导率大于0.1S/cm且杨氏模量≤2.5GPa的材料制成。

作为进一步优选的，所述压敏感应层的厚度小于10μm。

作为进一步优选的，所述绝缘网层的网孔直径为5nm-500μm，所述绝缘网层厚度为5nm-500μm。

作为进一步优选的，所述绝缘网层优选通过静电纺丝工艺制得。

作为进一步优选的，所述电极封装层由杨氏模量低于80GPa的柔性材料制成。

作为进一步优选的，所述电极封装层下表面的电导率大于0.1S/cm。

作为进一步优选的，所述保持架由杨氏模量低于80GPa的柔性材料制成。

按照本发明的另一方面，提供了一种所述具有分级压峰结构的电子皮肤的制备方法，其包括如下步骤：

S1制备表面溅射有压敏感应层的柔性衬底：

首先制备表面具有凸起结构的母模板，清洗并烘干，然后利用母模板制备倒模并在倒模表面制备隔离层，再将用于制备柔性衬底的原料倒在制备有隔离层的倒模上，揭膜获得所需的柔性衬底，最后在柔性衬底表面溅射压敏感应层以此获得表面溅射有压敏感应层的柔性衬底；

或者，先制备具有与凸起结构对应的凹坑的母模板，再将用于制备柔性衬底的原料倒在母模板上，揭膜获得所需的柔性衬底，最后在柔性衬底表面溅射压敏感应层以此获得表面溅射有压敏感应层的柔性衬底；

S2制备表面具有绝缘网层的电极封装层：

首先制备表面具有导电材料的电极封装层，清洗并烘干，然后在电极封装层具有导电材料的一侧制备绝缘网层，以此制备获得表面有绝缘网层的电极封装层；

S3制备保持架及封装：

制备所需形状的保持架，然后将表面具有绝缘网层的电极封装层置于表面具有压敏感应层的柔性衬底的凸起结构上，使保持架的上、下表面分别与绝缘网层和柔性衬底粘接以此完成电子皮肤的封装。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的电子皮肤，通过微纳结构设计(表面具有凸起结构的柔性衬底+网状结构的绝缘网层)，实现了分级压峰结构，具有多重灵敏度特性，在低压范围内(0.04～10kPa)和高压范围内(500～600kPa)灵敏度分别为11.60kPa^-1和43.95kPa^-1，在中压范围内(10～500kPa)灵敏度高达1608.75kPa^-1，其总的压力敏感区间可达到600kPa以上，比传统结构电子皮肤的几十kPa的测量范围大得多，比传统结构电子皮肤几百kPa^-1的敏感度也大得多；

2.本发明巧妙地采用凸起结构(微米级别)和绝缘网层(纳米级别)，利用电子皮肤在受压形变过程中绝缘网孔内凸起数量和绝缘网孔内接触面积的变化，有效的控制了压缩形变过程中电阻的变化，从而在获得高灵敏度的同时，获得了极大的压力检测范围；

3.本发明的柔性衬底、压敏感应层、保持架及电极封装层均可为柔性材料，可贴附于鼻子下端、手腕的桡动脉、手指和脚底等不同位置，用于检测不同大小的生理压力信号。同时，具有良好的重复性和快速的响应恢复能力，使得电子皮肤在机器人动作中能更好地反馈及控制，并提高动作的精度及准确性。因而本发明的电子皮肤可以很好地应用于人体生理信号检测和机器人领域。

附图说明

图1为按照本发明的优选实施例所构建的具有分级压峰结构的电子皮肤的结构示意图图；

图2为按照本发明的优选实施例所构建的具有分级压峰结构的电子皮肤的制备方法的流程图；

图3为覆盖有压敏感应层的金字塔的微观形貌图：a是整体形貌图，b是局部放大图；

图4为通过控制电纺的时间为20s、40s、60s和80s，获得的覆盖有不同密度的PVP纳米线网的电极封装层微观形貌图：a是电纺时间为20s时的样本PVP-20的微观形貌图，b是电纺时间为40s时的样本PVP-40的微观形貌图，c是电纺时间为60s时的样本PVP-60的微观形貌图，d是电纺时间为80s时的样本PVP-80的微观形貌图；

图5为不同PVP纳米线网网孔直径的电子皮肤的性能曲线图：a是压力-电流关系曲线图，b是压力-响应关系曲线图；

图6为按照本发明的优选实施例所构建的电子皮肤的伏安特性曲线图：a是压力范围为0-1kPa时的伏安特性曲线图，b是压力范围为1-600kPa时的伏安特性曲线图；

图7为按照本发明的优选实施例所构建的电子皮肤在0.2～600kPa范围内的梯度加载性能示意图；

图8为按照本发明的优选实施例所构建的电子皮肤最小测量极限和分辨率性能示意图；

图9为按照本发明的优选实施例所构建的电子皮肤的10000次循环压力稳定性性能示意图；

图10为按照本发明的优选实施例所构建的电子皮肤的响应、恢复性能示意图；

图11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12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13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：a是脚跟着地，b是全脚掌着地，c是前脚掌着地；

图14为按照本发明的优选实施例所构建的电子皮肤的实物图。

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-柔性衬底，2-压敏感应层，3-绝缘网层，4-电极封装层，5-保持架。

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。

如图1所示，本发明实施例提供的一种具有分级压峰结构的电子皮肤(传感器)，其包括柔性衬底1、绝缘网层3和电极封装层4，其中，柔性衬底1表面具有凸起结构，该凸起结构的表面溅射有压敏感应层2，电极封装层4为下表面具有导电材料的柔性薄膜，绝缘网层3为具有微孔的网状结构，其成形在电极封装层4下表面的导电材料上，该成形有绝缘网层3的电极封装层4设置在凸起结构的顶部，且绝缘网层3与凸起结构的顶部贴合，绝缘网层3与柔性衬底1边缘之间还设置有保持架5，保持架5的上下表面分别与绝缘网层3和柔性衬底1粘接以完成器件封装。

通过上述设计，本发明的上述电子皮肤的柔性衬底与电极封装层的接触面积被划分成无数个小单元，在受压过程中小单元的数量和面积上都在变化，从而导致电阻的变化，具有大的封装电阻和小的饱和电阻。

具体的，柔性衬底1由杨氏模量为50kPa-3MPa的柔性材料制成，保证器件是柔性的，可贴合在具有特殊形状的物体表面来测量相应的力学性能。表面凸起结构为金字塔结构(如图3所示)，或其它凸起结构如半球、圆锥等，高度范围为50μm-1000μm，高度限制在该范围内可保证受压过程中接触面积的变化，高度太小时接触面积变化不明显，高度太大时，因接触面积变化导致的电阻已经饱和，更高的高度引起的接触面积变化不会引起电阻变化。柔性衬底最好采用具有生物相容性的高分子材料，包括PDMS或者皮肤仿制硅胶(DragonSkin)等其他杨氏模量较小的柔软有弹性的生物或医用硅橡胶材料。PDMS制备时是将PDMS(聚二甲基硅氧烷)的单体与交联剂按照30：1-10：1的质量比混合均匀，对应PDMS的杨氏模量为50kPa-3MPa，得到PDMS混合溶液，用于制备柔性衬底。

进一步的，压敏感应层2由电导率大于0.1S/cm且杨氏模量≤2.5GPa的材料制成，压敏感应层的高电导率结合柔性基底受压变形导致接触面积变化能获得大的封装电阻和小的饱和电阻。压敏感应层2的厚度小于10μm，厚度限制在该范围内可使得压敏感应层自身获得好的变形并在网孔内形成压峰结构。

更进一步的，绝缘网层3的厚度为5nm-500μm，绝缘网层3的微孔(网孔)直径为5nm-500μm，在该设计参数下，可保证敏感材料在网孔内形成具有一定高度和接触面积的压峰结构，网孔形状无约束，可为圆形、多边形等。该绝缘网层3通过静电纺丝工艺成形在电极封装层4上，或其他可获得该绝缘网尺寸的其他工艺制得，如激光加工、光刻、蚀刻等。图4为通过控制电纺时间为20s、40s、60s和80s，获得的覆盖有不同密度的PVP纳米线网的电极封装层微观形貌图：a是电纺时间为20s时的样本PVP-20的微观形貌图，b是电纺时间为40s时的样本PVP-40的微观形貌图，c是电纺时间为60s时的样本PVP-60的微观形貌图，d是电纺时间为80s时的样本PVP-80的微观形貌图，电纺时间越长，绝缘网层厚度越厚，网孔直径越小。图5为图4中不同PVP纳米线网网孔直径的电子皮肤的性能曲线图：a是压力-电流关系曲线图，b是压力-响应关系曲线图，从图5的a可以，随着网孔直径的减小，该传感器能感知的压力范围逐渐增大，饱和电流逐渐减小。从图5的b可以看出，随着网孔直径的减小，该传感器的最大敏感度先增大后减小，结合压力检测范围的变化，样本PVP-60在获得最优的敏感度的同时获得了大的压力检测范围。

更为具体的，电极封装层4由杨氏模量低于80GPa的柔性材料制成，以保证器件为柔性器件，满足相应的使用场景需求。电极封装层4表面的导电材料的电导率大于0.1S/cm，保证结合微纳结构设计之后大的封装电阻和小的饱和电阻。

此外，保持架5由杨氏模量低于80GPa的柔性材料制成，以保证器件为柔性器件，满足相应的使用场景需求，通过激光切割、冲压等方式制作成所需形状。

本发明还提供了一种具有分级压峰结构的电子皮肤的制备方法，其包括如下步骤：

S1制备表面溅射有压敏感应层的柔性衬底：

首先制备表面具有凸起结构的母模板，清洗并烘干，然后利用母模板制备倒模并在倒模表面制备隔离层，再利用表面制备有隔离层的倒模制备柔性衬底，最后在柔性衬底表面溅射压敏感应层以此获得表面溅射有压敏感应层的柔性衬底，具体而言：

S11母模板制作：通过数控磨床将金属块制作成表面具有凸起结构阵列的母模板；

S12母模板的前处理：对表面具有凸起结构阵列的母模板先用乙醇超声5-30分钟，再用去离子水超声5-30分钟，再用乙醇超声5-30分钟，然后在40-80℃烘干；

S13第一次倒模：将预混好的聚二甲基硅氧烷PDMS倒在母模板表面，烘干之后，揭下得到第一次倒模；

S14制备隔离层：在第一次倒模表面溅射或镀金属层，或自组装隔离层；

S15第二次倒模：将预混好的柔性衬底的制备材料倒在溅射有金属层的第一次倒模表面，烘干之后，揭下得到柔性衬底；

S16制备压敏感应层：在柔性衬底表面溅射金属层；

或者，先制备具有与凸起结构对应的凹坑的母模板，再利用该母模板制备柔性衬底，最后在柔性衬底表面溅射压敏感应层以此获得表面溅射有压敏感应层的柔性衬底，具体而言：

S11采用光刻工艺在硅片上制备具有凹坑的母模板；

S12将预混好的聚二甲基硅氧烷PDMS(也可以是其他柔性材料，如PET、PI等)倒在母模板表面，烘干之后，揭下得到具有凸起结构阵列的柔性衬底；

S13在柔性衬底表面溅射金属层得到覆盖有压敏感应层的柔性衬底；

S2制备表面有绝缘网层的电极封装层：

首先制备表面具有导电材料的电极封装层，清洗并烘干，具体的先用乙醇超声5-30分钟，再用去离子水超声5-30分钟，再用乙醇超声5-30分钟，最后在40-80℃烘干；然后在电极封装层具有导电材料的一侧制备绝缘网层，以此制备获得表面成形有绝缘网层的电极封装层；

具体的，绝缘网层3通过静电纺丝工艺或其他可获得该绝缘网尺寸的其他工艺制得，如激光加工、光刻、蚀刻等。

采用静电纺丝工艺，其具体过程如下：

S21静电纺丝溶液制备：将聚乙烯吡咯烷酮PVP(也可以是PVA)以15％的质量分数溶解在乙醇中，然后通过搅拌混合直到形成透明凝胶；

S22电极封装层的前处理：对电极封装层先用乙醇超声5-30分钟，再用去离子水超声5-30分钟，再用乙醇超声5-30分钟，40-80℃烘干；

S23 PVP绝缘网制备：通过静电纺丝工艺在电极封装层的导电侧电纺PVP纳米线网。

采用激光加工工艺，其具体过程如下：

S21通过激光加工工艺在一定厚度的PI膜表面制备所需微孔直径为的孔洞，从而得到绝缘微孔PI膜；

S22将绝缘微孔PI膜粘接在电极封装层导电侧得到覆盖有绝缘微孔PI膜的电极封装层；

S3制备保持架及封装：

制备所需形状的保持架，然后由下至上依次安装电子皮肤的各组件获得所需的电子皮肤。

以下为具体实施例：

实施例1

本实施例为基于磁控溅射金、PVP纳米线网和微金字塔阵列的具有分级压峰结构的电子皮肤的制备，具体采用如下步骤制备：

1)通过数控磨床将金属块制作成表面具有金字塔阵列的母模板；

2)对于制作完成的母模板用乙醇超声10分钟后，用去离子水超声10分钟，再用乙醇超声10分钟，50℃烘干；

3)将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在母模板表面，烘干之后，揭下得到第一次倒模；

4)在第一次倒模表面溅射金层；

5)将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在第一次倒模表面，烘干之后，揭下得到具有微金字塔阵列的柔性衬底，微金字塔高度为100μm；

6)在柔性衬底表面溅射厚度为10nm的金层得到覆盖有压敏感应层的柔性衬底；

7)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)以15％的质量分数溶解在乙醇中，然后通过搅拌混合直到形成透明凝胶，从而得到静电纺丝溶液；

8)电极封装层用乙醇超声15分钟后，用去离子水超声20分钟，再用乙醇超声15分钟，60℃烘干，可直接购买表面具有导电层的柔性膜PET/ITO膜作为电极封装层，也可以自己制作获得，在柔性薄膜上溅射导电层；

9)通过静电纺丝工艺在电极封装层的导电侧电纺厚度为3nm的PVP纳米线网，得到覆盖有PVP纳米线网的电极封装层，网孔直径为10nm；

10)采用激光切割将一定厚度的柔性膜切割成所需的形状得到保持架；

11)电极封装层置于柔性衬底的微金字塔阵列上，保持架的上、下表面分别与电极封装层上的绝缘网层和柔性衬底粘接进而完成器件封装。

实施例2

本实施为基于石墨烯、PVP纳米线网和微半球阵列的具有分级压峰结构的电子皮肤的制备，具体采用如下步骤制备：

1)采用光刻工艺在硅片上制备具有微半球凹坑的母模板；

2)对于制作完成的母模板用乙醇超声30分钟后，用去离子水超声15分钟，再用乙醇超声20分钟，40℃烘干；

3)将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在母模板表面，烘干之后，揭下得到第一次倒模；

4)在第一次倒模表面分层自组装石墨烯形成隔离层；

5)将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在第一次倒模表面，烘干之后，揭下得到具有微半球阵列的柔性衬底，微半球高度为500μm；

6)在柔性衬底表面溅射厚度为1μm的银层得到覆盖有压敏感应层的柔性衬底；

7)将PVP以15％的质量分数溶解在乙醇中，然后通过搅拌混合直到形成透明凝胶，从而得到静电纺丝溶液；

8)电极封装层用乙醇超声20分钟后，用去离子水超声20分钟，再用乙醇超声20分钟，60℃烘干；

9)通过静电纺丝工艺，在电极封装层的导电侧电纺厚度为100μm的PVP纳米线网，得到覆盖有PVP纳米线网的电极封装层，网孔直径为150μm；

10)采用激光切割将一定厚度的柔性膜切割成所需的形状得到保持架；

11)电极封装层置于柔性衬底的微半球阵列上，保持架的上、下表面分别与电极封装层上的绝缘网层和柔性衬底粘接进而完成器件封装。

实施例3

本实施例为基于化学镀银、PVP纳米线网和微金字塔阵列的具有分级压峰结构的电子皮肤的制备，具体采用如下步骤制备：

1)通过数控磨床将金属块制作成表面具有金字塔阵列的母模板；

2)对于制作完成的母模板用乙醇超声5分钟后，用去离子水超声30分钟，再用乙醇超声5分钟，40℃烘干；

3)将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在母模板表面，烘干之后，揭下得到第一次倒模；

4)在第一次倒模表面化学镀银制备隔离层；

5)将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在第一次倒模表面，烘干之后，揭下得到具有微金字塔阵列的柔性衬底，微金字塔高度为700μm；

6)在柔性衬底表面溅射厚度为300nm的铂层得到覆盖有压敏感应层的柔性衬底；

7)将PVP以15％的质量分数溶解在乙醇中，然后通过搅拌混合直到形成透明凝胶，从而得到静电纺丝溶液；

8)电极封装层用乙醇超声15分钟后，用去离子水超声5分钟，再用乙醇超声30分钟，70℃烘干；

9)通过静电纺丝工艺，在电极封装层的导电侧电纺厚度为500nm的PVP纳米线网，得到覆盖有PVP纳米线网的电极封装层，网孔直径为700nm；

10)采用激光切割将一定厚度的柔性膜切割成所需的形状得到保持架；

11)电极封装层置于柔性衬底的微金字塔阵列上，保持架的上、下表面分别与电极封装层上的绝缘网层和柔性衬底粘接进而完成器件封装。

实施例4：

本实施例为基于磁控溅射金、绝缘微孔PI膜和微金字塔阵列的具有分级压峰结构的电子皮肤的制备，具体采用如下步骤制备：

1)通过数控磨床将金属块制作成表面具有金字塔阵列的母模板；

2)对于制作完成的母模板用乙醇超声30分钟后，用去离子水超声30分钟，再用乙醇超声30分钟，80℃烘干；

3)将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在母模板表面，烘干之后，揭下得到第一次倒模；

4)在第一次倒模表面溅射金层；

5)将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在第一次倒模表面，烘干之后，揭下得到具有微金字塔阵列的柔性衬底，微金字塔高度为50μm；

6)在柔性衬底表面溅射厚度为5μm的金层得到覆盖有压敏感应层的柔性衬底；

7)通过激光加工工艺，在一定厚度的PI膜表面制备微孔直径为80μm的孔洞，从而得到绝缘微孔PI膜；

8)将绝缘微孔PI膜粘接在电极封装层导电侧得到覆盖有绝缘微孔PI膜的电极封装层；

9)采用激光切割将一定厚度的柔性膜切割成所需的形状得到保持架；

10)电极封装层置于柔性衬底的微金字塔阵列上，保持架的上、下表面分别与电极封装层上的绝缘网层和柔性衬底粘接进而完成器件封装。

实施例5

本实施例为基于磁控溅射金、绝缘PVP纳米线网和微半球阵列的具有分级压峰结构的电子皮肤的制备，具体采用如下步骤制备：

1)采用光刻工艺在硅片上制备具有微半球凹坑的母模板；

2)将预混好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在母模板表面，烘干之后，揭下得到具有微半球阵列的柔性衬底，微半球高度为300μm；

3)在柔性衬底表面溅射厚度为2nm的金层得到覆盖有压敏感应层的柔性衬底；

4)将PVP以15％的质量分数溶解在乙醇中，然后通过搅拌混合直到形成透明凝胶，从而得到静电纺丝溶液；

5)电极封装层用乙醇超声20分钟后，用去离子水超声20分钟，再用乙醇超声20分钟，45℃烘干；

6)通过静电纺丝工艺，在电极封装层的导电侧电纺厚度为500μm的PVP纳米线网，得到覆盖有PVP纳米线网的电极封装层，网孔直径为300μm；

7)采用激光切割将一定厚度的柔性膜切割成所需的形状得到保持架；

8)电极封装层置于柔性衬底的微金字塔阵列上，保持架的上、下表面分别与电极封装层上的绝缘网层和柔性衬底粘接进而完成器件封装。

本发明在制备获得电子皮肤后还对其各种性能进行了测试，以实施例1制备的电子皮肤为对象进行性能测试，测试结果如图6-图12所示，其中，图6为电子皮肤的伏安特性曲线图：a是压力范围为0-1kPa时的伏安特性曲线图，b是压力范围为1-600kPa时的伏安特性曲线图，从图6的a可以看出0.1V内，1kPa的压力下，该传感器为欧姆接触，从图6的b可以看出在5kPa-600kPa的压力范围内，该传感器为欧姆接触。图7为电子皮肤在0.2～600kPa范围内的梯度加载性能示意图，从图7可以看出该传感器拥有良好的梯度加载性能。图8为电子皮肤最小测量极限和分辨率性能示意图，从图8可以看出该传感器拥有不低于40Pa的检测下线和不低于10Pa的分别率。图9为电子皮肤的10000次循环压力稳定性性能示意图，从图9可以看出该传感器具有良好的性能重复稳定性。图10为电子皮肤的响应、恢复性能示意图，从图10可以看出该传感器响应快，恢复迅速。图11为测量压力的电子皮肤测量呼吸压力的性能示意图，从图11可以看出该传感器能有效的感知呼吸程度与速率的变化。图12为测量压力的电子皮肤测量脉搏压力的性能示意图，从图12可以看出该传感器能有效的感知脉搏的压力。图13为电子皮肤测量足底压力的性能示意图：a是脚跟着地，b是全脚掌着地，c是前脚掌着地，从图13的a-c可以看出由该传感器组成的阵列传感器能有效的感知脚的步态变化。

本发明电子皮肤在受力变形过程中，凸起结构受压形成电子皮肤的第一级压峰结构，凸起结构及其上的压敏感应层在绝缘网层的网孔内受压形成凸起作为第二级压峰结构，这种分级压峰结构设计相比较于只含有突起或只含有绝缘网层的结构设计在三个方面取得了突破：

第一，柔性衬底上的凸起结构作为第一级压峰结构保证了电子皮肤在压缩形变过程中第一级的接触面积变化，随着压力的增大，凸起结构的顶端与电极封装层下方绝缘网层的接触面积逐渐增大，从而提供了稳定变化的电阻；

第二，凸起结构及其上的压敏感应层在绝缘网层的网孔内受压形成凸起作为第二级压峰结构，保证了电子皮肤在压缩形变过程中第二级的接触面积变化，随着压力的增大，凸起结构及其上的压敏感应层在绝缘网层的网孔内形成的凸起开始与电极封装层接触且接触面逐渐增大直至饱和；

第三，上述的分级压峰结构，在受压形变过程中，绝缘网层网孔内的凸起数量会随着压力的增大而逐渐增多并逐渐饱和，从而有效的控制了压缩形变过程中电阻的变化，这种变化在保证敏感度的同时极大的扩大了电子皮肤的检测范围。

综上，本发明研究设计的电子皮肤通过新的微纳结构设计达到了高敏感度及广压力测试范围的目的，通过表面具有凸起结构的柔性衬底配合网状结构的绝缘网层，可控制受压过程中接触面积的变化，以使得电阻明显变化但又不会过早饱和，保证灵敏度的同时获得大的压力检测范围。本发明的电子皮肤及其制备方法新颖简单，效果显著，性能优异，具有应用于人体生理信号检测和机器人领域的巨大潜力和优势。

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 (10)

1.一种具有分级压峰结构的电子皮肤，其特征在于，包括柔性衬底(1)和电极封装层(4)，其中：

所述柔性衬底(1)的表面具有凸起结构，该凸起结构作为电子皮肤的第一级压峰，其表面溅射有压敏感应层(2)；

所述电极封装层(4)为下表面具有导电功能的柔性薄膜，其下表面还制备有网状结构的绝缘网层(3)，该电极封装层(4)设置在所述凸起结构的顶部，并且其上的绝缘网层(3)与凸起结构的顶部贴合，该凸起结构及其上的压敏感应层(2)位于所述绝缘网层网孔处的部分在后续受压过程中将进一步形成凸起以作为电子皮肤的第二级压峰；

所述绝缘网层(3)与所述柔性衬底(1)边缘之间还设置有保持架(5)，该保持架(5)的上表面与绝缘网层(3)粘接，下表面与柔性衬底(1)粘接。

2.如权利要求1所述的具有分级压峰结构的电子皮肤，其特征在于，所述柔性衬底(1)由杨氏模量为50kPa-3MPa的柔性材料制成，所述凸起结构的高度为50μm-1000μm。

3.如权利要求1所述的具有分级压峰结构的电子皮肤，其特征在于，所述压敏感应层(2)由电导率大于0.1S/cm且杨氏模量≤2.5GPa的材料制成。

4.如权利要求1所述的具有分级压峰结构的电子皮肤，其特征在于，所述压敏感应层(2)的厚度小于10μm。

5.如权利要求1所述的具有分级压峰结构的电子皮肤，其特征在于，所述绝缘网层(3)的网孔直径为5nm-500μm，所述绝缘网层(3)厚度为5nm-500μm。

6.如权利要求1所述的具有分级压峰结构的电子皮肤，其特征在于，所述绝缘网层(3)优选通过静电纺丝工艺制得。

7.如权利要求1所述的具有分级压峰结构的电子皮肤，其特征在于，所述电极封装层(4)由杨氏模量低于80GPa的柔性材料制成。

8.如权利要求1所述的具有分级压峰结构的电子皮肤，其特征在于，所述电极封装层(4)下表面的电导率大于0.1S/cm。

9.如权利要求1-8任一项所述的具有分级压峰结构的电子皮肤，其特征在于，所述保持架(5)由杨氏模量低于80GPa的柔性材料制成。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的具有分级压峰结构的电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1制备表面溅射有压敏感应层的柔性衬底：

首先制备表面具有凸起结构的母模板，清洗并烘干，然后利用母模板制备倒模并在倒模表面制备隔离层，再将用于制备柔性衬底的原料倒在制备有隔离层的倒模上，揭膜获得所需的柔性衬底，最后在柔性衬底表面溅射压敏感应层以此获得表面溅射有压敏感应层的柔性衬底；

或者，先制备具有与凸起结构对应的凹坑的母模板，再将用于制备柔性衬底的原料倒在母模板上，揭膜获得所需的柔性衬底，最后在柔性衬底表面溅射压敏感应层以此获得表面溅射有压敏感应层的柔性衬底；

S2制备表面具有绝缘网层的电极封装层：

首先制备表面具有导电材料的电极封装层，清洗并烘干，然后在电极封装层具有导电材料的一侧制备绝缘网层，以此制备获得表面有绝缘网层的电极封装层；

S3制备保持架及封装：

制备所需形状的保持架，然后将表面具有绝缘网层的电极封装层置于表面具有压敏感应层的柔性衬底的凸起结构上，使保持架的上、下表面分别与绝缘网层和柔性衬底粘接以此完成电子皮肤的封装。

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