CN114414105A - 一种共形电子皮肤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仿生触觉技术领域，且公开了一种共形电子皮肤，其中传感电极部分借助3D打印的方式设计制备全覆盖的具有叉指电极形状凹槽的传感电极支架，然后通过刮涂、烘干、打磨导电银浆等工艺制备得到传感电极，功能材料部分采用可浇筑热固化成型的离电压力传感橡胶材料，根据所设计传感电极部分的整体三维形状来设计相应的功能材料部分固化模具，最后将传感电极部分与功能材料部分装配起来即可得到全覆盖共形电子皮肤器件，3D打印制备得到的传感电极部分和浇筑热固化成型的功能材料部分适合模块化制造，可以根据实际应用需求设计所需三维形状的电子皮肤，因此本项目有望解决了电子皮肤未能大面积制造和传感单元全覆盖集成的两大问题。
Description
技术领域
本发明涉及仿生触觉技术领域，更具体地说，本发明涉及一种共形电子皮肤。
背景技术
电子皮肤是一种模仿人类皮肤可拉伸性、高机械韧性和触觉感知能力等特性来与外界进行交互的设备，电子皮肤最重要的功能为触觉感知，触觉感知包括检测各种刺激，例如压力、温度、剪切力、弯曲、振动和滑动等,其在可穿戴设备、机器人技术和假肢等领域具有广泛的应用，通常，大多数现有的电子皮肤都为平面薄膜状器件，其依靠它们的柔韧性和可拉伸性以层压的方式集成在人体、机器人或其他物体表面以实现触觉感测，然而，平面薄膜状电子皮肤未能实现大面积制造，采用这种层压贴附方法集成的电子皮肤不能在目标曲面(特别是大跨度的弯曲表面)上实现完全共形，电子皮肤传感区域会出现有重叠区域或缺失区域的问题,使其不可能实现全覆盖的触觉感测，为了获得更丰富，更全面的触觉信息，目标表面各个区域均需要集成多个传感点，例如当我们需要获取机械手用其指尖进行“戳”或者手指侧面进行“夹”物体操作过程中的触觉信息时，仅仅在机械手指正面这个相对容易集成传感单元的区域分布传感单元的电子皮肤就没法满足要求，因此，完全共形的全覆盖触觉传感电子皮肤对于模拟天然皮肤以实现真正的人工智能触感非常重要，这将使电子皮肤能编码更丰富的信息，使其更接近自然触摸并具有高级感测能力；
近年来，尽管电子皮肤技术已经取得了快速发展，但要将这个新兴领域广泛应用于实际，仍然存在一些技术障碍和理论瓶颈，首先是电子皮肤的大面积制造问题：由于互连线的密度增加和变细，难以确保大面积的高空间分辨率，这会增加寄生电容和电阻，从而增加总体阻抗和噪声水平，因此，需要具有高电导率的电极材料和新颖的器件架构，由于可拉伸材料和自修复材料通常不适合常规光刻，因此需要开发新颖的制造工艺，其次是电子皮肤的集成问题：现阶段的电子皮肤大多向平面超薄、具有可拉伸性方向发展，借助电子皮肤自身的超薄可拉伸性通过层压的方式集成到目标曲面上，这种方法的主要劣势是不能实现完全共形及全覆盖的传感，当考虑在不规则形状的表面上集成制造时，这个问题将变得更加困难；
当前用于电子皮肤的工作原理主要有电阻式、电容式、摩擦电式和压电式的传感机制，电容式电子皮肤的优点是制造工艺简单、功耗低，与电阻器件相比具有更好的耐温性，然而，此类器件感测电容值为数十pF至数百pF，因此容易受到外部环境噪声(尤其是寄生电容)的影响，这会导致器件精度和稳定性的下降，电阻式电子皮肤存在响应速度慢、线性度差、噪音高等问题，而压电和摩擦电式电子皮肤只对动态压力信号产生响应，不能检测静态压力信号；
离电压力传感机理作为一种新兴的传感机制，利用了外界压力载荷引起电极-离子界面的电容变化，具体来说，通过电极与离子接触，在电极表面形成紧密电荷层，即双电层(EDL)，它具有特殊的超级电容特性，是由离子和电子排布形成的纳米级电容结构，在亚MHz频谱中具有高达数μF/cm2的超高单位面积电容(UAC)，作为比较，在相似尺寸下，典型的平行板电容式传感器的测量值仅在数十至数百pF/cm2之间，传感器的双电层(EDL)电容与离子和电极表面之间的接触面积成正比，而接触面积与外部压力负载引起的机械变形有关，迄今为止，研究人员已经报道了数种类型的离电式压力传感装置，比如液滴式超高灵敏度压力传感器，全透明薄膜式压力传感器，离电式织物传感器，离电-皮肤界面传感器，基于离子纤维的全纸基压力传感器等等，值得注意的是，与传统的电阻式和电容式传感方式不同，基于离电压力传感机理的传感器表现出极高的灵敏度和分辨率，鉴于其超高的信噪比(SNR)，寄生电容可以忽略不计，因此基于离电压力传感机制，研究离电式电子皮肤，将赋予电子皮肤灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强、测量噪音低、可检测静态与动态压力、线性度高等优点，此外，离电式电子皮肤结构简单，易于大面积制造与集成，具有解决当前电子皮肤存在问题的潜力；
综上所述，当前电子皮肤的大面积共形集成制造及全覆盖的触觉传感仍然是一个亟待解决的问题，本专利提出的一种基于离电压力传感机制的全覆盖共形电子皮肤技术有望解决这个问题，全覆盖共形电子皮肤能更好的对人类皮肤性能进行模拟，对外界刺激提供更全面丰富的感知信号，因此，此技术能高度促进交互式多功能机器人的开发，将是智能触觉领域发展的重点并且将成为相关行业发展的驱动力，具有重要的研究意义与产业价值。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种共形电子皮肤，本发明所要解决的技术问题是：
1)基于离电压力传感机制的全覆盖共形电子皮肤制备工艺问题；
2)现有电子皮肤未能在目标曲面上实现全覆盖共形传感的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种共形电子皮肤，所述该种共形电子皮肤主要由传感电极部分和功能材料部分组成，所述传感电极部分包括传感电极支架和图形化电极，所述功能材料部分采用可浇筑热固化成型的离电压力传感橡胶材料，所述图形化电极与离电橡胶相接触构成了离子-电极界面，形成的双电层(EDL)电容用于触觉传感。
在一个优选的实施方案中，所述传感电极部分的制备工艺为：首先使用三维制图软件在考虑电极线引出的情况下设计所需三维形状的传感电极支架，在传感电极支架的相应位置预留出图形化电极的凹槽部分，再通过3D打印的方式制备得到带图形化电极凹槽的传感电极支架，然后在传感电极支架上刮涂导电银浆，保证凹槽内部填充满导电银浆，下一步放入烘箱中进行固化，最后对传感电极支架进行打磨，去除凹槽以外部分的导电银浆保留凹槽内的导电银浆，即可得到图形化的传感电极阵列。
在一个优选的实施方案中，所述离电压力传感橡胶材料制备工艺：将Sylgard184PDMS有机硅弹性体前驱体与固化剂按照一定的质量比添加，加入一定质量的双三氟甲基磺酰亚胺锂的柠檬酸三丁酯溶液，下一步加入一定量比表面积400m2/g的气相纳米二氧化硅，接着通过人工使用玻璃棒轻柔手动搅拌，使得以上试剂混合均匀，然后使用离心式搅拌机，使所组分充分混合，获得离子橡胶前驱体浆料，下一步将未固化的离子橡胶倒入事先用CNC工艺加工好的模具，放入烘箱进行烘干，烘干后取出模具，将将固化好的离子橡胶从模具上脱离下来即可得到离子橡胶传感功能材料。
在一个优选的实施方案中，所述Sylgard 184PDMS有机硅弹性体前驱体与固化剂的加入质量比为10:1。
在一个优选的实施方案中，所述双三氟甲基磺酰亚胺锂的柠檬酸三丁酯溶液与PDMS的质量比为1：1。
根据权利要求5所述的一种共形电子皮肤，所述加入的双三氟甲基磺酰亚胺锂的柠檬酸三丁酯溶液为双三氟甲基磺酰亚胺锂事先溶解在柠檬酸三丁酯中混合形成的5％-30％质量分数的溶液。
在一个优选的实施方案中，所述加入的纳米二氧化硅的质量占PDMS的10％-30％。
在一个优选的实施方案中，所述离心式搅拌机在的搅拌速度为每分钟5000转，所述离心式搅拌机的搅拌时间为5分钟。
在一个优选的实施方案中，所述模具放入烘箱的烘干温度为80℃，所述模具的烘干时间为1小时。
在一个优选的实施方案中，所述烘箱的固化温度为80℃，且烘箱固化1h。
本发明的技术效果和优点：
1.本发明提出一种基于离电压力传感机制的全覆盖共形电子皮肤技术，电子皮肤器件主要分为传感电极部分和功能材料部分，其中传感电极部分借助3D打印的方式设计制备全覆盖的具有叉指电极形状凹槽的传感电极支架，然后通过刮涂、烘干、打磨导电银浆等工艺制备得到传感电极，功能材料部分采用可浇筑热固化成型的离电压力传感橡胶材料，根据所设计传感电极部分的整体三维形状来设计相应的功能材料部分固化模具，从而得到与传感电极完全共形的功能材料部分，最后将传感电极部分与功能材料部分装配起来即可得到全覆盖共形电子皮肤器件，3D打印制备得到的传感电极部分和浇筑热固化成型的功能材料部分适合模块化制造，可以根据实际应用需求设计所需三维形状的电子皮肤，因此本项目有望解决了电子皮肤未能大面积制造和传感单元全覆盖集成的两大问题。
附图说明
图1为本发明的传感电极以及电子皮肤的制造流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，另外，在以下的实施方式中记载的各结构的形态只不过是例示，本发明所涉及的共形电子皮肤并不限定于在以下的实施方式中记载的各结构，在本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种共形电子皮肤，该种共形电子皮肤主要由传感电极部分和功能材料部分组成，传感电极部分包括传感电极支架和图形化电极，功能材料部分采用可浇筑热固化成型的离电压力传感橡胶材料，图形化电极与离电橡胶相接触构成了离子-电极界面，形成的双电层(EDL)电容用于触觉传感。
进一步的，传感电极部分的制备工艺为：首先使用三维制图软件在考虑电极线引出的情况下设计所需三维形状的传感电极支架，在传感电极支架的相应位置预留出图形化电极的凹槽部分，再通过3D打印的方式制备得到带图形化电极凹槽的传感电极支架，然后在传感电极支架上刮涂导电银浆，保证凹槽内部填充满导电银浆，下一步放入烘箱中进行固化，最后对传感电极支架进行打磨，去除凹槽以外部分的导电银浆保留凹槽内的导电银浆，即可得到图形化的传感电极阵列。
进一步的，离电压力传感橡胶材料制备工艺：将Sylgard 184PDMS有机硅弹性体前驱体与固化剂按照一定的质量比添加，加入一定质量的双三氟甲基磺酰亚胺锂的柠檬酸三丁酯溶液，下一步加入一定量比表面积400m2/g的气相纳米二氧化硅，接着通过人工使用玻璃棒轻柔手动搅拌，使得以上试剂混合均匀，然后使用离心式搅拌机，使所组分充分混合，获得离子橡胶前驱体浆料，下一步将未固化的离子橡胶倒入事先用CNC工艺加工好的模具，放入烘箱进行烘干，烘干后取出模具，将将固化好的离子橡胶从模具上脱离下来即可得到离子橡胶传感功能材料。
进一步的，Sylgard 184PDMS有机硅弹性体前驱体与固化剂的加入质量比为10:1。
进一步的，双三氟甲基磺酰亚胺锂的柠檬酸三丁酯溶液与PDMS的质量比为1：1。
根据权利要求5的一种共形电子皮肤，加入的双三氟甲基磺酰亚胺锂的柠檬酸三丁酯溶液为双三氟甲基磺酰亚胺锂事先溶解在柠檬酸三丁酯中混合形成的5％-30％质量分数的溶液。
进一步的，加入的纳米二氧化硅的质量占PDMS的10％-30％，通过纳米二氧化硅的加入，可以极大的提高液态离子材料和PDMS复合材料的单位面积电容。
进一步的，离心式搅拌机在的搅拌速度为每分钟5000转，离心式搅拌机的搅拌时间为5分钟。
进一步的，模具放入烘箱的烘干温度为80℃，模具的烘干时间为1小时。
进一步的，烘箱的固化温度为80℃，且烘箱固化1h。
本发明的总体制备工艺：
S1、传感电极：首先使用三维制图软件在考虑电极线引出的情况下设计所需三维形状的传感电极支架，在传感电极支架的相应位置预留出图形化电极的凹槽部分，再通过3D打印的方式制备得到带图形化电极凹槽的传感电极支架，然后在传感电极支架上刮涂导电银浆，保证凹槽内部填充满导电银浆，下一步放入烘箱中进行固化，最后对传感电极支架进行打磨，去除凹槽以外部分的导电银浆保留凹槽内的导电银浆，即可得到图形化的传感电极阵列；
S2、功能材料：将Sylgard 184PDMS有机硅弹性体前驱体与固化剂按照10:1质量比添加，加入与有PDMS质量比1:1的双三氟甲基磺酰亚胺锂的柠檬酸三丁酯溶液，其中双三氟甲基磺酰亚胺锂事先溶解在柠檬酸三丁酯中形成5％质量分数的溶液，加入比表面积400m2/g的气相纳米二氧化硅，其质量占PDMS的15％，用玻璃棒轻柔手动搅拌，使得以上试剂混合均匀，然后使用离心式搅拌机在5000转/分钟下搅拌5分钟，使所组分充分混合，获得离子橡胶前驱体浆料，将未固化的离子橡胶倒入事先用CNC工艺加工好的模具，放入80℃烘箱中1小时，取出模具，将固化好的离子橡胶从模具上脱离下来即可得到离子橡胶传感功能材料；
S3、最后将传感电极部分与功能材料部分装配起来构建离子-电极界面，即可得到全覆盖共形电子皮肤。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种共形电子皮肤，其特征在于，所述该种共形电子皮肤主要由传感电极部分和功能材料部分组成，所述传感电极部分包括传感电极支架和图形化电极，所述功能材料部分采用可浇筑热固化成型的离电压力传感橡胶材料，所述图形化电极与离电橡胶相接触构成了离子-电极界面，形成的双电层(EDL)电容用于触觉传感。
2.根据权利要求1所述的一种共形电子皮肤，其特征在于：所述传感电极部分的制备工艺为：首先使用三维制图软件在考虑电极线引出的情况下设计所需三维形状的传感电极支架，在传感电极支架的相应位置预留出图形化电极的凹槽部分，再通过3D打印的方式制备得到带图形化电极凹槽的传感电极支架，然后在传感电极支架上刮涂导电银浆，保证凹槽内部填充满导电银浆，下一步放入烘箱中进行固化，最后对传感电极支架进行打磨，去除凹槽以外部分的导电银浆保留凹槽内的导电银浆，即可得到图形化的传感电极阵列。
3.根据权利要求1所述的一种共形电子皮肤，其特征在于：所述离电压力传感橡胶材料制备工艺：将Sylgard 184PDMS有机硅弹性体前驱体与固化剂按照一定的质量比添加，加入一定质量的双三氟甲基磺酰亚胺锂的柠檬酸三丁酯溶液，下一步加入一定量比表面积400m2/g的气相纳米二氧化硅，接着通过人工使用玻璃棒轻柔手动搅拌，使得以上试剂混合均匀，然后使用离心式搅拌机，使所组分充分混合，获得离子橡胶前驱体浆料，下一步将未固化的离子橡胶倒入事先用CNC工艺加工好的模具，放入烘箱进行烘干，烘干后取出模具，将将固化好的离子橡胶从模具上脱离下来即可得到离子橡胶传感功能材料。
4.根据权利要求3所述的一种共形电子皮肤，其特征在于：所述Sylgard184PDMS有机硅弹性体前驱体与固化剂的加入质量比为10:1。
5.根据权利要求3所述的一种共形电子皮肤，其特征在于：所述双三氟甲基磺酰亚胺锂的柠檬酸三丁酯溶液与PDMS的质量比为1：1。
6.根据权利要求5所述的一种共形电子皮肤，其特征在于：所述加入的双三氟甲基磺酰亚胺锂的柠檬酸三丁酯溶液为双三氟甲基磺酰亚胺锂事先溶解在柠檬酸三丁酯中混合形成的5％-30％质量分数的溶液。
7.根据权利要求3所述的一种共形电子皮肤，其特征在于：所述加入的纳米二氧化硅的质量占PDMS的10％-30％。
8.根据权利要求3所述的一种共形电子皮肤，其特征在于：所述离心式搅拌机在的搅拌速度为每分钟5000转，所述离心式搅拌机的搅拌时间为5分钟。
9.根据权利要求3所述的一种共形电子皮肤，其特征在于：所述模具放入烘箱的烘干温度为80℃，所述模具的烘干时间为1小时。
10.根据权利要求2所述的一种共形电子皮肤，其特征在于：所述烘箱的固化温度为80℃，且烘箱固化1h。
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