CN115219076A - 一种高性能电子皮肤触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

一种高性能电子皮肤触觉传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高性能电子皮肤触觉传感器及其制备方法，提供了一种高性能电子皮肤触觉传感器，包括封装层、液态金属电极以及介电层，封装层具有双面微金字塔结构的超疏水表面，内部为空腔，在超疏水表面对应的空腔内壁上印刷有液态金属电极；介电层具有双面微金字塔结构的超疏液态金属表面，介电层被封装在封装层的空腔内，且介电层上下表面均与液态金属电极相接触；该传感器具有超高的灵敏度、快速响应时间和极高的耐久性，解决了现有柔性压力传感器中存在的灵敏度低、响应时间慢以及耐久性不高的技术问题；同时本发明还提供了一种该传感器的制备方法，通过制备介电层‑制备封装层‑印刷液态金属电极‑封装等步骤制备得到高性能电子皮肤触觉传感器。

Description

一种高性能电子皮肤触觉传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性电子皮肤传感器，具体涉及一种基于液态金属的高性能电子皮肤触觉传感器及其制备方法。
背景技术
随着电子技术的发展，柔性电子皮肤传感器因为具有与人体皮肤及组织完美的匹配度，成为重要的研究对象。柔性电子皮肤传感器在人体健康监测、柔性机器人以及人机交互领域有着广泛的应用。柔性电子皮肤传感器的主要技术问题在于如何实现全柔性器件制备，柔性电子皮肤传感器的电极材料与基底材料均由高度柔性化的材料制备而成。
传统的柔性电极材料如导电聚合物、金属薄膜、离子凝胶等材料均存在着柔性不足以及电导率低等问题，限制了柔性电子皮肤传感器的发展。镓铟合金作为一种在室温下呈现液态的金属材料，具有高导电/热性、无限延展性、无毒等特点，成为制备全柔性电子皮肤传感器的首要选择。目前，研究者们将液态金属作为柔性电极材料用于制备柔性压力传感器，主要有电容式和电阻式两种传感方式，但是这些方法目前都存在着灵敏度低，响应时间慢，耐久性不高等问题，极大地限制了液态金属柔性传感器在微弱信号检测以及需要快速响应场景下的应用。
发明内容
本发明提供了一种高性能全柔性电子皮肤触觉传感器，该高性能全柔性电子皮肤触觉传感器具有超高的灵敏度、快速响应时间和极高的耐久性，以解决现有柔性压力传感器中存在的灵敏度低、响应时间慢以及耐久性不高的技术问题；同时本发明还提供一种高性能全柔性电子皮肤触觉传感器的制备方法，通过控制飞秒激光实现一步制备介电层和封装层，简单高效而且极大地降低了加工时间和成本。
本发明所采用的技术方案为：
一种高性能电子皮肤触觉传感器，其特殊之处在于：
包括封装层、液态金属电极以及介电层；
所述封装层内部为空腔，封装层的上表面和下表面均为具有微金字塔结构的超疏水表面，所述空腔的上侧壁和下侧壁均印刷有液态金属电极；
所述介电层的上表面和下表面均为具有微金字塔结构的超疏液态金属表面，所述介电层被封装在封装层的空腔内，且介电层上表面和下表面分别与所述空腔的上侧壁和下侧壁的液态金属电极相接触；
所述封装层和介电层均为具有延展性的柔性聚合物材料。
进一步地，所述封装层的上表面和下表面、介电层的上表面和下表面的微金字塔结构均为阵列分布，且微金字塔结构表面覆盖有纳米颗粒；
所述介电层与封装层的封装方式为氧等离子体键合封装，封装后封装层、液态金属电极以及介电层整体的厚度为200um～1mm。
进一步地，所述封装层和介电层均为柔性硅胶、Ecoflex或PDMS材料中的任意一种；
所述液态金属电极材质为镓铟合金或镓铟锡合金。
同时，本发明提供一种高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，包含以下步骤：
ⅰ)将柔性基底材料固定在三维可移动平台表面，将飞秒激光通过透镜聚焦到柔性基底材料表面，控制三维可移动平台移动，飞秒激光在柔性基底材料表面进行扫描加工，得到介电层；
ⅱ)将另一柔性基底材料固定在三维可移动平台表面，将飞秒激光通过透镜聚焦到柔性基底材料表面，控制三维可移动平台移动，飞秒激光在柔性基底材料表面进行扫描加工，得到封装层结构；
ⅲ)在步骤ⅱ)得到封装层结构后，将液态金属电极印刷在经过飞秒激光扫描的表面对应的另一表面上；
ⅳ)将步骤ⅰ)得到的介电层经过飞秒激光扫描的表面进行氧等离子体改性处理，将步骤ⅲ)获得的封装层结构上印刷有液态金属电极的表面进行氧等离子体改性处理，然后将一个介电层与两个封装层结构进行键合封装且介电层的上下表面分别与两个封装层结构印刷有液态金属电极的表面相接触，得到高性能电子皮肤触觉传感器。
进一步地，步骤ⅰ)和步骤ⅱ)中，将柔性基底材料固定在三维可移动平台表面之前还需要进行清洗操作，制备得到介电层和封装层结构之后也需要进行清洗操作。
进一步地，所述清洗操作具体为：分别在无水乙醇溶液和去离子水溶液中对待清洗材料进行5分钟的超声清洗。
进一步地，步骤ⅰ)中，步骤ⅰ)中，飞秒激光在柔性基底材料表面进行扫描加工具体为：在柔性基底材料的待加工两侧表面各有两束飞秒激光同时进行逐行扫描加工，一束从水平方向扫描，另一束从和竖直方向扫描，通过交叉扫描的方式一步扫描加工出阵列分布的微金字塔结构；
步骤ⅱ)中，飞秒激光在柔性基底材料表面进行扫描加工具体为：在柔性基底材料的待加工一侧表面有两束飞秒激光以垂直方向同时进行逐行扫描加工，一步得到具有超疏水表面的封装层结构。
进一步地，步骤ⅰ)和步骤ⅱ)中，所使用的飞秒激光的中心波均为50fs，波长均为800nm，重复频率均为1KHz，功率均为200-3000mW；所述三维可移动平台的移动速度均为100-10000μm/s；所述透镜的焦距均为5-30cm。
进一步地，步骤ⅲ)中，所采用的液态金属电极材质为镓铟合金，液态金属电极的印刷方式为丝网印刷、3D打印或喷涂方式。
进一步地，步骤ⅰ)和步骤ⅱ)中，所采用的柔性基底材料为柔性PDMS材质，所使用的飞秒激光的功率均为3000mW，透镜的焦距均为20cm，三维可移动平台的移动速度均为10000μm/s；
步骤ⅲ)中，液态金属电极的印刷方式为丝网印刷方式。
同现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明提供的高性能电子皮肤触觉传感器，具有超高的灵敏度(2.78kPa-1)，快速响应时间(80ms)，和极高的耐久性(超过10000次的循环加载)，相比于现有技术制备得到的液态金属压力传感器，性能得到了大幅度提升；
2.本发明提供的高性能电子皮肤触觉传感器具有双面超疏液态金属微金字塔结构纳米颗粒的介电层能够极大地提升传感器性能，而且所制备的微金字塔结构因为超疏液态金属的性质使其能够直接与液态金属接触而不会破坏液态金属电极；更重要的是，相比于现有技术只能制备出单面微金字塔结构的制备方法，飞秒激光能够一步实现双面微金字塔结构的制备，简单高效而且极大地降低了加工时间和成本；
3.本发明提供的高性能电子皮肤触觉传感器介电层表面均布有大量的微金字塔结构纳米颗粒，这是介电层具有超疏液态金属性质的关键；
4.本发明提供的高性能电子皮肤触觉传感器，采用的PDMS柔性材料能够在各种大幅度变形下依然保持非常好的压力检测性能，拓宽了其在柔性传感领域的应用；
5.本发明提供的高性能电子皮肤触觉传感器，该传感器具有超疏水表面的封装层能够赋予具有电容式结构的传感器防污以及在水环境下稳定传感的能力，解决了电容传感器耐久性不高容易受到水干扰的问题，对于生活中常见的污水具有防污性能，并且在水环境下能够保持传感信号基线稳定的能力；
6.本发明提出的高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，通过飞秒激光高度可控的优势实现精准的控制，对其形状和排布实现很好的控制从而调控传感器的灵敏度；
7.本发明提出的高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，通过表面氧等离子体改性的方式使得具有双面超疏液态金属微金字塔结构纳米颗粒的介电层与印刷有液态金属电极材料的封装层进行永久封装键合。
附图说明
图1为本发明实施例中飞秒激光制备具有双面超疏液态金属微金字塔结构的介电层结构示意图；
图2为本发明实施例制备完成的高性能电子皮肤触觉传感器结构示意图；
图3为本发明实施例中制备的介电层表面微金字塔结构的电镜图；其中，(a)为微金字塔阵列；(b)为(a)中的一个微金字塔结构放大图；
图4为本发明实施例中制备的介电层其中一个表面的阵列示意图；
图5为本发明实施例中液态金属在介电层表面的浸润性表征以及接触模型图；其中，(a)为液态金属与微金字塔结构接触示意图，(b)为(a)中与液态金属接触的两个微金字塔结构放大图；
图6为本发明实施例一、实施例二与实施例三通过不同通过飞秒激光功率与三维可移动平台移动速度扫描加工的微金字塔结构纳米颗粒排布图；其中，(a)为实施例三中微金字塔结构纳米颗粒排布图，(b)为实施例一中微金字塔结构纳米颗粒排布图，(c)为实施例二中微金字塔结构纳米颗粒排布图；
图7为本发明施例一、实施例二与实施例三制备的高性能电子皮肤触觉传感器灵敏度的线性图；其中，(a)为高性能电子皮肤触觉传感器在0-0.1kPa范围内的灵敏度对比曲线，(b)为高性能电子皮肤触觉传感器在20kPa范围内的灵敏度对比曲线；
图8本发明实施例中制备的介电层和封装层表面的微金字塔结构覆盖的纳米颗粒示意图。
附图标记如下：
1-封装层，2-液态金属电极，3-介电层。
具体实施方式
本发明提供了一种高性能电子皮肤触觉传感器及其制备方法，下面将结合附图和具体实施例对本发明做详细阐述：
实施例一
本发明提供一种高性能电子皮肤触觉传感器，包括封装层1、液态金属电极2以及介电层3；封装层1为内部为空腔、具有双面微金字塔结构的超疏水表面，在封装层1超疏水表面对应的空腔内壁上印刷有液态金属电极2；介电层3为具有双面微金字塔结构的超疏液态金属表面，介电层3被封装在封装层1的空腔内，且介电层3上下表面均与液态金属电极2相接触；封装后整体厚度为500um的贴片状；封装层1和介电层3均为PDMS材质，液态金属电极2的材质为镓铟合金。
本发明还提供一种上述高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：
ⅰ)清洗柔性PDMS基底材料：分别在无水乙醇溶液和去离子水溶液中对多个柔性PDMS基底材料进行5分钟的超声清洗；
ⅱ)如图1所示，将一个清洗后的柔性PDMS基底材料固定在可移动平台表面，将中心波为50fs，波长为800nm，重复频率1KHz，功率为3000mW飞秒激光通过焦距为20cm的透镜聚焦到柔性PDMS基底材料表面，控制三维可移动平台以10000μm/s速度移动，在柔性基底材料的待加工两侧表面各有两束飞秒激光同时进行逐行扫描加工，一束从水平方向逐行扫描，另一束从和竖直方向逐行扫描，通过这种交叉扫描的方式一步扫描加工出阵列分布的微金字塔结构的介电层3；
ⅲ)将步骤ⅰ)中清洗后的两个柔性PDMS基底材料固定在三维可移动平台表面，将与步骤ⅱ)相同参数的飞秒激光通过焦距为20cm的透镜聚焦到柔性PDMS基底材料表面，控制三维可移动平台以10000μm/s速度移动，在柔性基底材料的待加工一侧表面有两束飞秒激光以垂直方向同时进行逐行扫描加工，一步得到两个具有超疏水表面的封装层结构；
ⅳ)将步骤ⅱ)和步骤ⅲ)制备的介电层3和封装层结构分别在无水乙醇溶液和去离子水中进行5分钟的超声清洗；
ⅴ)在步骤ⅱ)得到封装层结构后，将液态金属电极2印刷在经过飞秒激光扫描的表面对应的另一表面上；
ⅳ)将步骤ⅳ)将介电层3经过飞秒激光扫描的表面行氧等离子体改性处理，将封装层结构上印刷有液态金属电极2的表面进行氧等离子体改性处理，然后将一个介电层3与两个封装层结构进行键合封装，得到高性能电子皮肤触觉传感器。
如图8所示，飞秒激光在扫描加工介电层3和封装层1表面的微金字塔结构时，微金字塔表面会附着有丰富的纳米颗粒。
图3为飞秒激光制备出的介电层3表面微金字塔结构的电镜图，纳米颗粒覆盖在微金字塔表面能够起到超疏液态金属的作用；图4为本发明实施例中制备的介电层3的阵列示意图；图5为液态金属液滴在微金字塔结构的浸润性表征以及接触模型，液态金属液滴接触到覆盖有纳米颗粒的微金字塔结构时，由于液态金属氧化层的存在使得液态金属只能与微金字塔结构上的纳米颗粒顶端相接触，在纳米颗粒顶端与微金字塔结构之间存在空气层，从而形成Cassie接触状态，因此极大地降低了液态金属与微金字塔结构之间的接触面积，从而实现了超疏液态金属。
将实施例一制备得到的高性能电子皮肤触觉传感器进行性能检测发现，具有超疏水表面的传感器能够对生活中常见的清水、污水、茶、可乐、墨水和牛奶几种水基污染物起到很好的防污效果；而且将传感器贴在人体腕部并且在水环境下进行腕部运动检测时，可以看到未经过激光处理的初始表面传感器的信号十分不稳定，而经过激光处理的具有超疏水表面的传感器则在水环境下表现出十分稳定的信号检测性能。
实施例二
本发明提供的一种高性能电子皮肤触觉传感器与实施例一中的高性能电子皮肤触觉传感器区别仅为高性能电子皮肤触觉传感器厚度为200um且封装层1和介电层3均为柔性硅胶材质。
本发明还提供一种上述高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，该方法与实施例一中的制备方法区别为：使用的飞秒激光功率为200mW，使用的透镜焦距为5cm，三维可移动平台表面移动速度为100μm/s，使用的柔性基底材料为柔性硅胶基底材料，得到厚度为200um的高性能电子皮肤触觉传感器；其余步骤操作均与实施例一相同。
对实施例二制备得到的高性能电子皮肤触觉传感器进行性能检测发现，其性能与实施例一的性能相似。
实施例三
本发明提供的一种高性能电子皮肤触觉传感器与实施例一中的高性能电子皮肤触觉传感器区别仅为高性能电子皮肤触觉传感器厚度为1mm且封装层1和介电层3均为柔性Ecoflex材质，液态金属电极2的材质为镓铟锡合金。
本发明还提供一种上述高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，该方法与实施例一中的制备方法区别为：使用的飞秒激光功率为1000mW，使用的透镜焦距为30cm，三维可移动平台表面移动速度为3000μm/s，使用的基底材料为柔性Ecoflex基底材料，得到厚度为1mm的高性能电子皮肤触觉传感器；其余步骤操作均与实施例一相同。
对实施例三制备得到的高性能电子皮肤触觉传感器进行性能检测发现，其性能与实施例一的性能相似。
如图6所示，对实施例一、实施例二和实施例三所制备的三种高性能电子皮肤触觉传感器进行观察发现，采用的飞秒激光功率与三维可移动平台移动速度不同，扫描出来的微金字塔结构排布也各不相同，飞秒激光功率越高，扫描速度慢，制备的微金字塔高度越高，且相互之间间距越大，反之亦然。而且，通过缩小调整激光扫描的间距以及增加扫描次数能进一步扩大微金字塔之间的间距。
如图7所示，将实施例一、实施例二和实施例三所制备的三种高性能电子皮肤触觉传感器进行压力与灵敏度测试，发现扫描的微金字塔结构排布密度不同，高性能电子皮肤触觉传感器灵敏度也不同。微金字塔结构排布密度越高，高性能电子皮肤触觉传感器在0-0.1kPa的压力范围内的灵敏度越高，因为小压力下传感器的信号变化主要是微结构被压缩导致的介电常数的增大，高密度的微结构排布意味着更大的介电常数的变化。而微金字塔结构排布密度越低，高性能电子皮肤触觉传感器在大于1kPa时的灵敏度越高，因为大压力下传感器的信号变化主要是微结构被压缩后产生的电极间间距的减小，低密度的微结构意味着更容易产生电极间距的变化，压缩阻力越小。
如图8所示，飞秒激光优势在于能够快速加工出双面微金字塔结构，而且在加工的同时所产生的的烧蚀颗粒能够附着在所加工的微金字塔结构表面，这使得飞秒激光加工后的介电层具有双面复合微纳米结构。该复合微纳米结构保证了微金字塔结构在与液态金属电极直接接触的时候不会因为液态金属氧化层的高粘附性产生粘连而破坏液态金属电极，提高了液态金属传感器的稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高性能电子皮肤触觉传感器，其特征在于：
包括封装层(1)、液态金属电极(2)以及介电层(3)；
所述封装层(1)内部为空腔，封装层(1)的上表面和下表面均为具有微金字塔结构的超疏水表面，所述空腔的上侧壁和下侧壁均印刷有液态金属电极(2)；
所述介电层(3)的上表面和下表面均为具有微金字塔结构的超疏液态金属表面，所述介电层(3)被封装在封装层(1)的空腔内，且介电层(3)上表面和下表面分别与所述空腔的上侧壁和下侧壁的液态金属电极(2)相接触；
所述封装层(1)和介电层(3)均为具有延展性的柔性聚合物材料。
2.根据权利要求1所述的高性能电子皮肤触觉传感器，其特征在于：
所述封装层(1)的上表面和下表面、介电层(3)的上表面和下表面的微金字塔结构均为阵列分布，且微金字塔结构表面覆盖有纳米颗粒；
所述介电层(3)与封装层(1)的封装方式为氧等离子体键合封装，封装后封装层(1)、液态金属电极(2)以及介电层(3)整体的厚度为200um～1mm。
3.根据权利要求1或2所述的高性能电子皮肤触觉传感器，其特征在于：
所述封装层(1)和介电层(3)均为柔性硅胶、Ecoflex或PDMS材料中的任意一种；
所述液态金属电极(2)材质为镓铟合金或者镓铟锡合金。
4.一种权利要求1所述的高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，其特征之处在于，包括以下步骤：
ⅰ)将柔性基底材料固定在三维可移动平台表面，将飞秒激光通过透镜聚焦到柔性基底材料表面，控制三维可移动平台移动，飞秒激光在柔性基底材料表面进行扫描加工，得到介电层(3)；
ⅱ)将另一柔性基底材料固定在三维可移动平台表面，将飞秒激光通过透镜聚焦到柔性基底材料表面，控制三维可移动平台移动，飞秒激光在柔性基底材料表面进行扫描加工，得到封装层结构；
ⅲ)在步骤ⅱ)得到封装层结构后，将液态金属电极(2)印刷在经过飞秒激光扫描的表面对应的另一表面上；
ⅳ)将步骤ⅰ)得到的介电层(3)经过飞秒激光扫描的表面进行氧等离子体改性处理，将步骤ⅲ)获得的封装层结构上印刷有液态金属电极(2)的表面进行氧等离子体改性处理，然后将一个介电层(3)与两个封装层结构进行键合封装且介电层(3)的上下表面分别与两个封装层结构印刷有液态金属电极(2)的表面相接触，得到高性能电子皮肤触觉传感器。
5.根据权利要求4所述的高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，其特征在于：
步骤ⅰ)和步骤ⅱ)中，将柔性基底材料固定在三维可移动平台表面之前还需要进行清洗操作，制备得到介电层(3)和封装层结构之后也需要进行清洗操作。
6.根据权利要求5所述的高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，其特征在于：
所述清洗操作具体为：分别在无水乙醇溶液和去离子水溶液中对待清洗材料进行5分钟的超声清洗。
7.根据权利要求4至6任一所述的高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，其特征在于：
步骤ⅰ)中，飞秒激光在柔性基底材料表面进行扫描加工具体为：在柔性基底材料的待加工两侧表面各有两束飞秒激光同时进行逐行扫描加工，一束从水平方向扫描，另一束从和竖直方向扫描，通过交叉扫描的方式一步扫描加工出阵列分布的微金字塔结构；
步骤ⅱ)中，飞秒激光在柔性基底材料表面进行扫描加工具体为：在柔性基底材料的待加工一侧表面有两束飞秒激光以垂直方向同时进行逐行扫描加工，一步得到具有超疏水表面的封装层结构。
8.根据权利要求7所述的高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，其特征在于：
步骤ⅰ)和步骤ⅱ)中，所使用的飞秒激光的中心波均为50fs，波长均为800nm，重复频率均为1KHz，功率均为200-3000mW；所述三维可移动平台的移动速度均为100-10000μm/s；所述透镜的焦距均为5-30cm。
9.根据权利要求8所述的高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，其特征在于：
步骤ⅲ)中，所采用的液态金属电极(2)材质为镓铟合金，液态金属电极(2)的印刷方式为丝网印刷、3D打印或喷涂方式。
10.根据权利要求9所述的高性能电子皮肤触觉传感器的制备方法，其特征在于：
步骤ⅰ)和步骤ⅱ)中，所采用的柔性基底材料为柔性PDMS材质，所使用的飞秒激光的功率均为3000mW，透镜的焦距均为20cm，三维可移动平台的移动速度均为10000μm/s；
步骤ⅲ)中，液态金属电极(2)的印刷方式为丝网印刷方式。
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