CN114360761A - 基于可拉伸半导体的多功能传感电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于可拉伸半导体的多功能传感电子皮肤，包括弹性体基板、导体电极和可拉伸聚合物半导体传感材料层；所述弹性体基板设在最底层；所述导体电极嵌入固定在弹性体基板中，导体电极与外部的电阻检测装置相连；所述可拉伸聚合物半导体传感材料层固定在最顶层。本多功能传感电子皮肤结构简单，制作更加便捷，在保持良好的机械拉伸性的同时，具有多种刺激的传感能力，可以实现对拉力、压力、温度、可见光的传感，功能更多，实用性更强。

Description

基于可拉伸半导体的多功能传感电子皮肤及其制备方法

技术领域

本发明属于可拉伸电子器件领域，具体涉及一种基于可拉伸半导体的多功能传感电子皮肤及其制备方法。

背景技术

可拉伸电子由于具有类似皮肤的可拉伸性，在可穿戴传感设备、软机器人以及电子皮肤等领域具有巨大的应用前景和广泛的需求。传统的电子材料，尤其是半导体材料，从无机到有机，均是刚性不可拉伸的，难以直接应用于可拉伸电子器件。为了实现材料的机械可拉伸性，通常使用特殊的机械结构，例如：平面外褶皱、平面内蛇形、具有可变形互连的刚性岛和剪纸结构，来适应或消除不可伸展材料在被拉伸时的机械应变。但是通过结构设计实现材料可拉伸性的方法往往有结构复杂、工艺流程多、制作成本高的缺点。本征可拉伸聚合物电子材料，包括导体、弹性体、以及半导体，因其自身的可拉伸性、易加工性、和低成本，而被认为是很前途的电子材料。本征可拉伸聚合物电子材料使构建具有简单结构的可拉伸器件成为可能。

电子皮肤是基于传感功能材料对外界环境信息进行电信号反馈，以模仿人类皮肤感知功能的一种可拉伸器件。目前的电子皮肤已经能够实现对环境中的应力、温度、光照进行多功能传感。现有多功能传感电子皮肤的实现方式一般是将具有不同传感能力的功能材料复杂地集成在一起，依赖于多个具有独立功能传感器的整合。虽然可以实现多种传感能力，但需要多种不同传感能力材料的集成，高度复杂的器件结构设计和过多的制备步骤，导致制备效率低、耗时长，不利于推广应用。并且现有大部分多功能传感电子皮肤是由非本征可拉伸材料的通过复杂的器件结构设计来实现可拉伸性的，因而进一步增加了其结构复杂性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于本征可拉伸聚合物半导体的多功能传感电子皮肤，本电子皮肤制作更加便捷，除了具有本征可拉伸性，还具有对多种环境刺激的传感能力，可以通过单层传感材料实现对拉力、压力、温度、可见光的传感，结构更简单，功能更多，实用性更强。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于可拉伸半导体的多功能传感电子皮肤，包括弹性体基板、导体电极和可拉伸聚合物半导体传感材料层；所述弹性体基板设在最底层；所述导体电极嵌入固定在弹性体基板中，导体电极与外部的电阻检测装置相连；所述传感材料层固定在最顶层。

优选地，所述弹性体基板采用聚二甲基硅氧烷材质；所述导体电极采用银纳米线；所述传感材料层采用聚3-己基噻吩-2，5-二基纳米纤维、聚二甲基硅氧烷的复合聚合物半导体材料。

相应的，本发明还提出了基于上述多功能传感电子皮肤的制备方法：包括以下步骤：

1)将硅片依次放在丙酮、乙醇和去离子水中进行超声预清洁处理；

2)将图案化的聚酰亚胺薄膜掩模置于硅片上；

3)将银纳米线溶液滴于聚酰亚胺薄膜掩模上，在一定温度下干燥一段时间，去除聚酰亚胺薄膜掩模，得到图案化的银纳米线电极；

4)将聚二甲基硅氧烷旋涂在图案化的银纳米线电极上，在一定温度下进行固化；

5)将固化的聚二甲基硅氧烷从硅片上剥离，银纳米线电极依靠物理粘附转移到聚二甲基硅氧烷衬底上；

6)将聚3-己基噻吩以一定浓度溶于无水间二甲苯中并冷却至室温；

7)将聚二甲基硅氧烷用间二甲苯稀释，并在室温下用磁力搅拌器搅拌均匀；

8)将步骤6）和7）制作的两种溶液以一定重量比在室温下混合后冷却形成P3HT纳米纤维；

9)步骤8）P3HT纳米纤维的半导体溶液通过图案化的聚酰亚胺薄膜掩模旋涂在步骤5）中的银纳米线导体电极上，再去除硅片和聚酰亚胺薄膜掩模，即可完成可拉伸复合半导体的制备。

其中，步骤3）中银纳米线溶液滴于聚酰亚胺薄膜掩模后，需在40 ℃-70 ℃下干燥30分钟。

步骤4）中聚二甲基硅氧烷涂在银纳米线电极上后需在60 ℃下固化4 h。

步骤6）中聚3-己基噻吩以0.5~2.5 mg/ml的浓度溶于无水间二甲苯中，并高温加热溶解20~50 min后迅速冷却至室温。

步骤8）中两种溶液形成P3HT纳米纤维具体操作为：在室温下混合1~3 h后，冷却至-15 ℃并放置一段时间。

此外，本发明提出的多功能传感电子皮肤可以作为应变传感器，用来检测拉力的大小。

另外，本多功能传感电子皮肤，所述多功能传感电子皮肤作为压阻传感器，用来检测压力变化。

本多功能传感电子皮肤，所述多功能传感电子皮肤作为温度传感器用来检测外界环境中的温度变化。

本多功能传感电子皮肤，所述多功能传感电子皮肤作为光传感器，用来检测外界环境中的可见光光强的变化。

本多功能传感电子皮肤，所述多功能传感电子皮肤作为可穿戴设备固定在人体胳膊肘、手腕或手指关节处，用来监测人体活动、监控健康状况或者手势识别。

本发明具有的有益效果为：

本发明包括弹性体基板、导体电极和可拉伸聚合物半导体传感材料层，当外界环境对传感器产生刺激时，复合半导体薄膜的电阻率发生变化，外部的电阻检测装置通过检测电阻的变化就可以评估外界刺激的变化率，从而实现多功能传感电子皮肤对拉力、压力、温度、可见光的多功能传感。因此本发明可作为应变传感器、压阻传感器、温度传感器、光传感器等多功能传感器进行应用，能够实现健康监测、手势识别、温度检测、智能控制应用的一体化，在健康监测、手势识别、智能控制等领域都具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明多功能传感电子皮肤的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种基于可拉伸半导体的多功能传感电子皮肤，包括导体电极1、弹性体基板2和可拉伸聚合物半导体传感材料层3。弹性体基板2设在最底层，与人体的胳膊肘、手腕或手指关节相接触。弹性体基板2采用聚二甲基硅氧烷材质（PDMS）。在很多弹性体材质中，PDMS制备工艺简单，具有类似于人类皮肤的柔软性，并可为传感器提供良好的拉伸性。

导体电极1嵌入固定在弹性体基板2中，导体电极1与外部的电阻检测装置相连。导体电极1采用银纳米线（AgNW），具有良好的导电性。

可拉伸聚合物半导体传感材料层3固定在最顶层。可拉伸聚合物半导体传感材料层3采用聚3-己基噻吩-2，5-二基纳米纤维/聚二甲基硅氧烷（P3HT-NF/PDMS）的复合聚合物半导体材料，其中P3HT聚合物半导体与可拉伸弹性体材料PDMS的结合有利于提高电子器件的拉伸性，并实现多功能传感器的本征可拉伸。

当外界环境对传感器产生刺激时，复合半导体薄膜的电阻率发生变化，外部的电阻检测装置通过检测电阻的变化就可以评估外界刺激的变化率，从而实现多功能传感电子皮肤对拉力、压力、温度、可见光的多功能传感，进而能够实现健康监测、手势识别、温度检测、智能控制应用的一体化。

相应的，本发明还提出上述多功能传感电子皮肤的制备方法，包括以下步骤：

一、弹性导体电极1和弹性体基板2（AgNW/PDMS）的制备

1）将硅片依次放在丙酮、乙醇和去离子水中进行超声预清洁处理。

2）将图案化的聚酰亚胺薄膜掩模置于硅片上。

3）将银纳米线溶液滴于聚酰亚胺薄膜掩模上，在60 ℃干燥30 min后，去除聚酰亚胺薄膜掩模，得到图案化的银纳米线电极。

4）将聚二甲基硅氧烷旋涂在图案化的银纳米线电极上，在60 ℃下固化4 h。

5）将固化的聚二甲基硅氧烷从硅片上剥离，银纳米线电极依靠物理粘附转移到聚二甲基硅氧烷衬底上，至此完成弹性体基板2和导体电极1的制作。

二、可拉伸聚合物半导体传感材料层3（P3HT-NF/PDMS）的制备

6）将聚3-己基噻吩（P3HT）以0.5 mg/ml的浓度溶于无水间二甲苯中，在高温加热溶解30 min后迅速冷却至室温。

7）将聚二甲基硅氧烷PDMS（交联剂/预聚物=1:10（w/w））用间二甲苯稀释为100~300 mg/ml的溶液，并在室温下用磁力搅拌器搅拌均匀。

8）将步骤6）和7）制作的两种溶液以合适的重量比在室温下混合1 h，并将溶液冷却至-15 ℃并放置30 min，以促进P3HT纳米纤维（P3HT-NF）的形成。

9）步骤8）P3HT纳米纤维的混合半导体溶液通过图案化的聚酰亚胺薄膜掩模旋涂在步骤5）中的银纳米线导体电极1上，再去除硅片和聚酰亚胺薄膜掩模，即可完成可拉伸复合半导体的制备。

本发明基于本征可拉伸聚合物半导体制备的多功能传感电子皮肤，不需要集成多种功能材料，也不需要复杂的器件结构设计，只需通过简单的溶液加工即可完成传感器的制备和简易的结构

具体实际使用时，本发明提供具有多功能的多功能传感电子皮肤可以作为应变传感器来检测拉力的大小。当传感器被拉伸时，银纳米线电极之间的半导体也会被拉伸，导致电子传输路径的增加，进而传感器的电阻增加。通过外部的电阻检测装置检测电阻的变化就可以评估拉力的大小。

该多功能传感电子皮肤还可以作为压阻传感器来检测压力变化。施加在橡胶传感器上的压缩应变会导致半导体变形，从而导致电阻的增大，通过检测电阻的变化就可以评估施加压力的大小。

该多功能传感电子皮肤也可以作为温度传感器来检测外界环境中的温度变化。P3HT-NF/PDMS复合半导体薄膜的电阻率可以随着温度的升高而降低。因而可以作为机器人的电子皮肤，让机器人可以感知温度。

该多功能传感电子皮肤利用聚合物半导体的光电效应可以作为光传感器来检测外界环境中的可见光光强的变化。因为外界环境中的自然光可以使半导体中的载流子浓度的增大，会使半导体电导率增大。通过检测电阻的变化就可以评估外界的光强。

此外，该多功能传感电子皮肤可以作为可穿戴设备固定在胳膊肘、手腕、手指关节等部位。通过检测传感器的电阻变化可以对人体活动进行监测，可实现健康监测。将传感器固定在手指关节处，通过检测五根手指上的传感器的电阻变化可以实现手势识别。

本发明可以实现对拉力、压力、温度、可见光的传感，并实现健康监测、手势识别、温度检测、智能控制应用的一体化，在健康监测、手势识别、智能控制等领域都具有广阔的应用前景。

Claims (8)

1.基于可拉伸半导体的多功能传感电子皮肤，其特征在于：包括弹性体基板、导体电极和可拉伸聚合物半导体传感材料层；所述弹性体基板设在最底层；所述导体电极嵌入固定在弹性体基板中，导体电极与外部的电阻检测装置相连；所述可拉伸聚合物半导体传感材料层固定在最顶层。

2.根据权利要求1所述的多功能传感电子皮肤，其特征在于：所述弹性体基板采用聚二甲基硅氧烷材质；所述导体电极采用银纳米线；所述传感材料层采用聚3-己基噻吩-2，5-二基纳米纤维、聚二甲基硅氧烷的复合可拉伸聚合物半导体材料。

3.根据权利要求2所述的多功能传感电子皮肤的制备方法：其特征在于：包括以下步骤：

1)将硅片依次放在丙酮、乙醇和去离子水中进行超声预清洁处理；

2)将图案化的聚酰亚胺薄膜掩模置于硅片上；

3)将银纳米线溶液滴于聚酰亚胺薄膜掩模上，在一定温度下干燥一段时间，去除聚酰亚胺薄膜掩模，得到图案化的银纳米线电极；

4)将聚二甲基硅氧烷旋涂在图案化的银纳米线电极上，在一定温度下进行固化；

5)将固化的聚二甲基硅氧烷从硅片上剥离，银纳米线电极依靠物理粘附转移到聚二甲基硅氧烷衬底上；

6)将聚3-己基噻吩以一定浓度溶于无水间二甲苯中并冷却至室温；

7)将聚二甲基硅氧烷用间二甲苯稀释，并在室温下用磁力搅拌器搅拌均匀；

8)将步骤6）和7）制作的两种溶液以一定重量比在室温下混合后冷却形成P3HT纳米纤维；

9)将步骤8）P3HT纳米纤维的半导体溶液通过图案化的聚酰亚胺薄膜掩模旋涂在步骤5）中的银纳米线导体电极上，再去除硅片和聚酰亚胺薄膜掩模，即可完成可拉伸复合半导体薄膜的制备。

4.根据权利要求3所述的多功能传感电子皮肤的制备方法：其特征在于：步骤3）中银纳米线溶液滴于聚酰亚胺薄膜掩模后，需在40 ℃-70 ℃下干燥30分钟。

5.根据权利要求3所述的多功能传感电子皮肤的制备方法：其特征在于：步骤4）中聚二甲基硅氧烷涂在银纳米线电极上后需在60 ℃下固化4 h。

6.根据权利要求3所述的多功能传感电子皮肤的制备方法：其特征在于：步骤6）中聚3-己基噻吩以0.5~2.5 mg/ml的浓度溶于无水间二甲苯中，并高温加热溶解20~50 min后迅速冷却至室温。

7.根据权利要求3所述的多功能传感电子皮肤的制备方法：其特征在于：步骤8）中两种溶液形成P3HT纳米纤维具体操作为：在室温下混合1~3 h后，冷却至-15 ℃并放置一段时间。

8.根据权利要求2所述的多功能传感电子皮肤的应用，其特征在于：所述多功能传感电子皮肤作为应变传感器，用来检测拉力的大小；

或者作为压阻传感器，用来检测压力变化；

或者作为温度传感器，用来检测外界环境中的温度变化；

或者作为光传感器，用来检测外界环境中的可见光光强的变化；

或者作为可穿戴设备固定在人体胳膊肘、手腕或手指关节处，用来监测人体活动、监控健康状况或者手势识别。

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