CN113103709A - 一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维基压力‑温度双模式电子皮肤及其制备方法。所述电子皮肤包括压力传感部分及温度传感部分，所述的压力传感部分包括压电纳米纤维膜及设于压电纳米纤维膜上、下表面的柔性导电织物电极，所述的温度传感部分包括具有温度传感性的碳纳米纤维膜以及分别设于碳纳米纤维膜上表面左、右两端的柔性导电织物电极条。压电纳米纤维膜切割后夹在两层柔性织物电极内部进行复合，得到压力传感部分；然后在顶部柔性导电织物上粘附透明封装材料作为绝缘层，碳纳米纤维膜粘附柔性导电织物条并转移到透明封装材料上，形成温度传感部分；两部分排成阵列，封装。本发明既可同时工作用于响应外界刺激；又可单独对温度或压力响应且每个模块互不影响。

Description

一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种压力-温度双模式电子皮肤及其制备方法，属于柔性传感器技术领域。
背景技术
近年来，为了模拟皮肤的触觉感知，研究者构建了基于不同传导机制和结构设计的柔性压力电子皮肤阵列，在如何提高传感器的灵敏度和检测范围方面取得了令人瞩目的进展。然而，电子皮肤作为模拟人体皮肤的仿生器件，需要获得的不仅是压力感应功能，还迫切需要具备同时检测温度、湿度等复杂环境变化的能力，进而模拟人体皮肤的多维信息和感知功能。多功能电子皮肤在人机交互、智能假肢、智能机器人、健康监测、医疗诊断等方面具有广阔的应用前景。为了满足广泛的工业需求及复杂场景需求，制备能够感知并响应外部环境变化的多功能电子皮肤是未来的发展趋势。
其中，温度和压力是两种最常见的触觉刺激，尽管在温度传感和压力传感方面做了大量的工作，但独立检测和区分温度和压力仍然是一个巨大的挑战。以往的研究试图将多个传感器集成到单个像素中开发多功能电子皮肤，但这种方法仍然面临着不兼容、稳定性差、复杂的结构设计和昂贵的制造工艺等棘手问题。一些研究者设计了基于有机热电材料的传感器，可以同时检测温度和压力，但这种方法存在的局限性是只能检测温差，不能直接检测静态温度。这些柔性传感器通常用各种材料制成，如薄膜、橡胶、水凝胶和气凝胶等，但这些材料可能会引起瘙痒、炎症等不适症状。因此设计与制备纤维基压力-温度双模式的电子皮肤是促进电子皮肤面向实际应用的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤，其包括压力传感部分及温度传感部分，所述的压力传感部分包括压电纳米纤维膜及设于压电纳米纤维膜上、下表面的柔性导电织物电极，所述的温度传感部分包括具有温度传感性的碳纳米纤维膜以及分别设于碳纳米纤维膜上表面左、右两端的柔性导电织物电极条。
优选地，所述的压电纳米纤维膜通过静电纺丝技术得到，其厚度为20-90μm；所述的纳米纤维膜碳纳米纤维膜通过静电纺丝技术及热处理工艺得到，其厚度为10-60μm；所述的柔性导电织物电极条的厚度为10-60μm。
优选地，所述的压力传感部分、温度传感部分的上、下表面分别设有透明封装材料，所述的透明封装材料为聚氨酯透明薄膜、聚二甲基硅氧烷和甲基含氢聚硅氧烷中的任意一种或两种的混合物，其厚度为10-40μm；所述柔性导电织物电极条从上下两层透明封装材料之间的边缘露出。
本发明还提供了上述纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法，其包括以下步骤：
第一步：将无机纳米填料通过超声分散在有机溶剂中，得到第一分散液；将聚合物原料加入到第一分散液中，搅拌形成含无机纳米颗粒和聚合物的第一纺丝液，将第一纺丝液加入到静电纺丝装置中的注射器中，设置工艺参数进行静电纺丝得到压电纳米纤维膜；
第二步：将碳纳米纤维的前驱体聚合物材料溶解在溶剂中，搅拌，得到均匀的第二纺丝液，经过静电纺丝制备得到前驱体碳纳米纤维膜；将前驱体碳纳米纤维膜经过热处理工艺制备得到具有温度传感特性的纳米纤维膜；
第三步：将第一步制备的压电纳米纤维膜切割后夹在两层柔性织物电极内部进行复合，形成三明治结构，得到压力传感部分；然后在顶部柔性导电织物上粘附透明封装材料作为绝缘层，将第二步制备的碳纳米纤维膜切割后在左、右两端粘附柔性导电织物条并转移到透明封装材料上，形成温度传感部分；以压力传感部分在下、温度传感部分在上的顺序排成阵列，在整个器件的底部和顶部用透明封装材料进行封装，得到纤维基压力-温度双模式电子皮肤。
优选地，所述第一步中的无机纳米填料包括碳纳米管、钛酸钡、锆钛酸铅、纳米氧化锌和石墨烯中的任意一种或几种的混合物；所述第一纺丝液中无机纳米填料的质量含量不大于20％。
优选地，所述第一步中的有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、六氟异丙醇、三氯甲烷、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮和异丙醇中的至少一种；所述的聚合物原料为聚丙烯腈、聚三氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯和聚偏氟乙烯-三氟乙烯中的任意一种或几种的混合物；所述的第一纺丝液中聚合物原料的质量浓度为10％～50％。
优选地，所述第一步中超声的工艺参数为：功率30～400W，时间1～400min；所述搅拌的工艺参数为：温度20～80℃，时间1～24h；所述静电纺丝技术参数：电压5～50kV，接收距离5～40cm，灌注速度0.1～10mL/h，滚筒转速10～100r/min，温度5～40℃，相对湿度10～80％。
优选地，所述第二步中碳纳米纤维的前驱体聚合物材料为聚丙烯腈及其共聚物、聚乙烯醇、聚苯并咪唑和聚酰胺酸中的至少一种；所述的溶剂为水、N,N-二甲基乙酰胺、六氟异丙醇、三氯甲烷、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮和异丙醇中的至少一种；所述第二纺丝液的质量浓度为1～50％。
优选地，所述第二步中搅拌的工艺参数为：温度20～80℃，时间为1～24h；静电纺丝的工艺参数为：电压5～50kV，接收距离5～40cm，灌注速度0.1～10mL/h，滚筒转速10～100r/min，温度5～40℃，相对湿度10～80％；热处理工艺的参数为：预氧化温度50～500℃，预氧化时间0.1～24h，碳化升温速率0.1～20℃/min，保温温度200～1500℃，保温时间0.1～10h。
优选地，所述第三步中封装的工艺方法采用物理粘附、热压封装、旋涂、浸渍加工、涂层加工、浸轧加工、喷雾加工中的一种或几种的组合。
本发明根据压电与热阻效应，结合静电纺丝技术和热处理工艺，制备得到具有压力和温度传感特性的纤维基电子皮肤，实现电子皮肤对手指按压、握力计的握力测试、监测水温变化、人体生理信号(呼吸和脉搏)多种感知功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明制备得到的双模式电子皮肤由压力传感层和温度传感层两部分组成，使其具有可同时工作响应两种物理刺激，也可单独工作用于检测一种物理信号的特点，且每个模块互不影响，得益于每个模块的独立电极。
2、基于压电效应制备的压力传感性能的纳米纤维膜可直接将外界压力刺激转化为电信号，无需外部电源供电设备，大幅度简化装置；通过掺杂无机纳米材料，进一步提高传感器的压电性能及灵敏度，增强该传感器对微弱外界压力刺激的检测，实现了高性能柔性压电纤维的一步法低成本制备。
3、纤维薄膜中存在丰富的孔结构，具有优良柔性和超轻超薄特性，可实现电子皮肤阵列的高度形状自适应性，能与人体进行无缝紧密贴合，能满足人体穿戴的舒适性要求，避免了传统陶瓷压电压力传感器和高聚物薄膜传感器带来的不适感。
4、本发明制备的电子皮肤可有效感知微弱的压力、实时监测水温变化等，可以敏锐检测到人体桡动脉的脉搏信号及呼吸气体温度变化，这种精确的测量在医疗健康、智能假肢领域提供了巨大的潜在应用价值。
5、本发明制备的电子皮肤具备物体形状识别能力及实时滑动轨迹识别能力，这意味着在人工智能领域有很好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中制备得到的压电纳米纤维的扫描电子显微镜图片；
图2为实施例1中制备得到的碳纳米纤维的扫描电子显微镜图片；
图3为实施例1中制备得到的碳纳米纤维膜的透射电镜图片；
图4为实施例1中制备得到的纤维基压力-温度双模式电子皮肤贴附在人体皮肤上的图片；
图5为实施例2中制备得到的纤维基压力-温度双模式电子皮肤对人体脉搏信号测试结果；
图6为实施例2中制备得到的纤维基压力-温度双模式电子皮肤对水杯温度变化的测试结果；
图7为实施例3中制备得到的纤维基压力-温度双模式电子皮肤对不同形状物体轮廓的识别结果；
图8为本发明提供的纤维基压力-温度双模式电子皮肤的产品图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法：
一种基于压电效应和热阻原理的纤维基压力-温度双模式电子皮肤，其特征在于，结合静电纺丝技术和热处理工艺，制备得到具有压力和温度传感特性的纳米纤维膜，所述的压力传感部分包括利用静电纺丝技术制备的具有压电效应的纳米纤维膜以及分别设于压电纳米纤维膜的上、下两侧的柔性导电织物电极，所述的温度传感部分包括经过热处理的纳米纤维膜以及分别设于纳米纤维膜的左、右两端的柔性导电织物电极，分别具有压力和温度传感特性的纳米纤维膜及柔性导电织物电极设于透明封装材料中。所述的压力传感纳米纤维膜的厚度为，所述的温度传感纳米纤维膜的厚度为，所述的透明封装材料的厚度为20μm，所述的柔性导电织物电极的厚度为60μm。
上述的纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法为：
第一步：将1.5g纳米氧化锌(直径＜30nm)加入到24g N,N-二甲基甲酰胺和16g丙酮混合溶剂中，在室温(25℃)和500W的条件下进行超声分散2小时形成均一稳定的第一分散液。将9g聚偏氟乙烯(美国苏威，型号6015，分子量57万)加入上述第一分散液中，在40℃的水浴锅中搅拌10h形成均一稳定的第一纺丝液，待其自然冷却至室温，将第一纺丝液加入到注射器中，利用静电纺丝技术制备厚度为50μm的具有压电效应的纳米纤维膜。静电纺丝工艺参数为：电压15kV，接收距离20cm，灌注速度2.5mL/h，滚筒转速为80转/分钟，环境温度25℃，相对湿度50％。
第二步：将1g聚丙烯腈(PAN，日本钟渊化学工业公司，Mw＝90000)加入到10g N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在室温(25℃)的条件下搅拌12h，然后在300W的条件下超声10min进行消泡处理，形成均匀的纺丝溶液。经过静电纺丝技术制备得到前驱体纳米纤维膜；将前驱体纳米纤维膜经过热处理工艺制备得到厚度为30μm的具有温度传感特性的碳纳米纤维膜。静电纺丝工艺参数为：电压20kV，接收距离15cm，灌注速度1mL/h，滚筒转速为60转/分钟，环境温度25℃，相对湿度50％。热处理工艺参数：预氧化温度280℃，预氧化时间2h，碳化升温速率2℃/min，保温温度900℃，保温时间2h。
第三步：将第一步制备的压电纳米纤维膜、第二步制备的碳纳米纤维膜和柔性导电织物电极进行激光切割得到1-6cm2不等的尺寸，将压电纳米纤维膜夹在两层柔性涤纶织物电极(浙江三元电子科技有限公司，型号：PA37CH)内进行复合，形成三明治结构，得到压力传感部分；然后在顶部柔性涤纶织物电极上黏覆超薄透明聚氨酯作为绝缘层，将左、右两端粘附柔性导电织物条碳纳米纤维膜并转移到超薄透明聚氨酯上，形成温度传感部分；以压力传感部分在下、温度传感部分在上的顺序排成4×4的阵列，用超薄透明聚氨酯薄膜把阵列进行物理粘合封装，得到纤维基压力-温度双模式电子皮肤，如图8所示。
图1为步骤一制备得到的压电纳米纤维膜的扫描电子显微镜图片，图2为步骤二制备的碳纳米纤维的扫描电子显微镜图片，图3为步骤二制备的碳纳米纤维的透射电镜图片，说明碳纳米纤维内部存在石墨结构，图4为制备的电子皮肤阵列放在人体皮肤上，展现了其与皮肤良好的贴合性。
实施例2
一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法：
第一步：将1g钛酸钡纳米颗粒(直径＜50nm)加入到12g N,N-二甲基甲酰胺和8g丙酮混合溶剂，在室温下，以500W超声分散1小时形成均一稳定的第一分散液。将4g聚偏氟乙烯(美国苏威，型号6015，分子量57万)加入上述第一分散液中，在60℃的水浴锅中搅拌8h，形成均一稳定的第二纺丝液，待其自然冷却至室温，将第一纺丝液加入到注射器中，利用静电纺丝技术制备厚度为80μm的具有压电效应的纳米纤维膜。静电纺丝工艺参数为：电压15kV，接收距离10cm，灌注速度2mL/h，滚筒转速为60转/分钟，环境温度25℃，相对湿度50％。
第二步：将3g聚丙烯腈(PAN，日本钟渊化学工业公司，Mw＝90000)加入到20g N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在在室温(25℃)的条件下搅拌24h，然后在300W的条件下超声10min进行消泡处理，形成均匀的纺丝溶液。经过静电纺丝技术制备得到前驱体纳米纤维膜；将前驱体纳米纤维膜经过热处理工艺制备得到厚度为50μm的具有温度传感特性的碳纳米纤维膜。静电纺丝工艺参数为：电压30kV，接收距离20cm，灌注速度2mL/h，滚筒转速为80转/分钟，环境温度25℃，相对湿度50％。热处理工艺参数：预氧化温度300℃，预氧化时间3h，碳化升温速率2.5℃/min，保温温度1000℃，保温时间2h。
第三步：将第一步制备的压电纳米纤维膜、第二步制备的碳纳米纤维膜和柔性导电织物电极进行激光切割得到1-6cm2不等的尺寸，将压电纳米纤维膜夹在两层柔性聚酯织物电极(浙江三元电子科技有限公司，定制)内进行复合，形成三明治结构，得到压力传感部分；然后在顶部柔性涤纶织物电极上黏覆超薄透明聚氨酯作为绝缘层，将左、右两端粘附柔性导电织物条碳纳米纤维膜并转移到超薄透明聚氨酯上，形成温度传感部分；以压力传感部分在下、温度传感部分在上的顺序排成4×4的阵列，将1.2g聚二甲基硅氧烷(道康宁SYLGARD 184)和0.12g固化剂搅拌30分钟混合均匀，超声5分钟消除气泡，旋涂在阵列底部和顶部表面，在80℃下固化2h，对传感阵列进行封装，制备得到纤维基压力-温度双模式电子皮肤。图5为制备得到的一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤对人体颈部脉搏跳动连续实时监测1min的输出波形，结果体现了电子皮肤出色的检测性能及高灵敏度。图6为制备得到的一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤对水杯温度变化的监测能力。
实施例3
一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法：
第一步：将2g锆钛酸铅纳米颗粒(直径＜100nm)加入到24g N,N-二甲基甲酰胺和18g丙酮混合溶剂中，在室温(25℃)和500W的条件下进行超声分散2小时形成均一稳定的第一分散液。将8g聚偏氟乙烯-三氟乙烯(昆山海斯电子有限公司，偏氟乙烯：三氟乙烯＝7:3)加入上述第一分散液中，在80℃的水浴锅中搅拌6h形成均一稳定的第一纺丝液，待其自然冷却至室温，将第一纺丝液加入到注射器中，利用静电纺丝技术制备厚度为40μm的具有压电效应的纳米纤维膜。静电纺丝工艺参数为：电压25kV，接收距离20cm，灌注速度3mL/h，滚筒转速为80转/分钟，环境温度25℃，相对湿度50％。
第二步：将1g聚乙烯醇(PVA，济南汇锦川商贸有限公司，Mw＝80000)加入到10g水溶剂中，在90℃水浴锅中的搅拌6h，然后在300W的条件下超声10min进行消泡处理，形成均匀的纺丝溶液。经过静电纺丝技术制备得到前驱体纳米纤维膜；将前驱体纳米纤维膜经过热处理工艺制备得到厚度为30μm的具有温度传感特性的碳纳米纤维膜。静电纺丝工艺参数为：电压20kV，接收距离10cm，灌注速度1.5mL/h，滚筒转速为60转/分钟，环境温度25℃，相对湿度50％。热处理工艺参数：预氧化温度280℃，预氧化时间2h，碳化升温速率2℃/min，保温温度800℃，保温时间2h。
第三步：将第一步制备的压电纳米纤维膜、第二步制备的碳纳米纤维膜和柔性导电织物电极进行激光切割得到1-6cm2不等的尺寸，将压电纳米纤维膜夹在两层柔性涤纶织物电极(浙江三元电子科技有限公司，型号：PA37CH)内进行复合，形成三明治结构，得到压力传感部分；然后在顶部柔性涤纶织物电极上黏覆超薄透明聚氨酯作为绝缘层，将左、右两端粘附柔性导电织物条碳纳米纤维膜并转移到超薄透明聚氨酯上，形成温度传感部分；以压力传感部分在下、温度传感部分在上的顺序排成4×4的阵列，用超薄透明聚对苯二甲酸乙二酯薄膜通过热压技术把阵列进行封装，热压温度为120℃，时间为3小时，制备得到纤维基压力-温度双模式电子皮肤。图7为制备得到的一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤对不同形状物体轮廓的辨别能力。

Claims (10)

1.一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤，其特征在于，包括压力传感部分及温度传感部分，所述的压力传感部分包括压电纳米纤维膜及设于压电纳米纤维膜上、下表面的柔性导电织物电极，所述的温度传感部分包括具有温度传感性的碳纳米纤维膜以及分别设于碳纳米纤维膜上表面左、右两端的柔性导电织物电极条。
2.如权利要求1所述的纤维基压力-温度双模式电子皮肤，其特征在于，所述的压电纳米纤维膜通过静电纺丝技术得到，其厚度为20-90μm；所述的纳米纤维膜碳纳米纤维膜通过静电纺丝技术及热处理工艺得到，其厚度为10-60μm；所述的柔性导电织物电极条的厚度为10-60μm。
3.如权利要求1所述的纤维基压力-温度双模式电子皮肤，其特征在于，所述的压力传感部分、温度传感部分的上、下表面分别设有透明封装材料，所述的透明封装材料为聚氨酯透明薄膜、聚二甲基硅氧烷和甲基含氢聚硅氧烷中的任意一种或两种的混合物，其厚度为10-40μm；所述柔性导电织物电极条从上下两层透明封装材料之间的边缘露出。
4.权利要求1-3任意一项所述的纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括：
第一步：将无机纳米填料通过超声分散在有机溶剂中，得到第一分散液；将聚合物原料加入到第一分散液中，搅拌形成含无机纳米颗粒和聚合物的第一纺丝液，将第一纺丝液加入到静电纺丝装置中的注射器中，设置工艺参数进行静电纺丝得到压电纳米纤维膜；
第二步：将碳纳米纤维的前驱体聚合物材料溶解在溶剂中，搅拌，得到均匀的第二纺丝液，经过静电纺丝制备得到前驱体碳纳米纤维膜；将前驱体碳纳米纤维膜经过热处理工艺制备得到具有温度传感特性的纳米纤维膜；
第三步：将第一步制备的压电纳米纤维膜切割后夹在两层柔性织物电极内部进行复合，形成三明治结构，得到压力传感部分；然后在顶部柔性导电织物上粘附透明封装材料作为绝缘层，将第二步制备的碳纳米纤维膜切割后在左、右两端粘附柔性导电织物条并转移到透明封装材料上，形成温度传感部分；以压力传感部分在下、温度传感部分在上的顺序排成阵列，在整个器件的底部和顶部用透明封装材料进行封装，得到纤维基压力-温度双模式电子皮肤。
5.如权利要求4所述的纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述第一步中的无机纳米填料包括碳纳米管、钛酸钡、锆钛酸铅、纳米氧化锌和石墨烯中的任意一种或几种的混合物；所述第一纺丝液中无机纳米填料的质量含量不大于20％。
6.如权利要求4所述的纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述第一步中的有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、六氟异丙醇、三氯甲烷、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮和异丙醇中的至少一种；所述的聚合物原料为聚丙烯腈、聚三氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯和聚偏氟乙烯-三氟乙烯中的任意一种或几种的混合物；所述的第一纺丝液中聚合物原料的质量浓度为10％～50％。
7.如权利要求4所述的纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述第一步中超声的工艺参数为：功率30～400W，时间1～400min；所述搅拌的工艺参数为：温度20～80℃，时间1～24h；所述静电纺丝技术参数：电压5～50kV，接收距离5～40cm，灌注速度0.1～10mL/h，滚筒转速10～100r/min，温度5～40℃，相对湿度10～80％。
8.如权利要求4所述的纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述第二步中碳纳米纤维的前驱体聚合物材料为聚丙烯腈及其共聚物、聚乙烯醇、聚苯并咪唑和聚酰胺酸中的至少一种；所述的溶剂为水、N,N-二甲基乙酰胺、六氟异丙醇、三氯甲烷、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮和异丙醇中的至少一种；所述第二纺丝液的质量浓度为1～50％。
9.如权利要求4所述的纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述第二步中搅拌的工艺参数为：温度20～80℃，时间为1～24h；静电纺丝的工艺参数为：电压5～50kV，接收距离5～40cm，灌注速度0.1～10mL/h，滚筒转速10～100r/min，温度5～40℃，相对湿度10～80％；热处理工艺的参数为：预氧化温度50～500℃，预氧化时间0.1～24h，碳化升温速率0.1～20℃/min，保温温度200～1500℃，保温时间0.1～10h。
10.如权利要求4所述的纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述第三步中封装的工艺方法采用物理粘附、热压封装、旋涂、浸渍加工、涂层加工、浸轧加工、喷雾加工中的一种或几种的组合。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115452209A (zh) * 2022-07-25 2022-12-09 厦门大学 一种基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器
CN115476561A (zh) * 2022-09-23 2022-12-16 歌尔科技有限公司 纤维复合材料、外壳以及电子设备
CN116744754A (zh) * 2023-06-16 2023-09-12 深圳大学 钙钛矿聚合物纤维膜光电器件及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110514326A (zh) * 2019-08-14 2019-11-29 东华大学 一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤及其制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110514326A (zh) * 2019-08-14 2019-11-29 东华大学 一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHUNYA WANG ETAL.: "An All-Silk-Derived Dual-Mode E‑skin for SimultaneousTemperature−Pressure Detection"", 《ACS APPL. MATER. INTERFACES》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115452209A (zh) * 2022-07-25 2022-12-09 厦门大学 一种基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器
CN115476561A (zh) * 2022-09-23 2022-12-16 歌尔科技有限公司 纤维复合材料、外壳以及电子设备
CN115476561B (zh) * 2022-09-23 2023-09-29 歌尔科技有限公司 纤维复合材料、外壳以及电子设备
CN116744754A (zh) * 2023-06-16 2023-09-12 深圳大学 钙钛矿聚合物纤维膜光电器件及其制备方法

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