CN205163046U - 用于检测体表温度的柔性电子皮肤 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于检测体表温度的柔性电子皮肤，该柔性电子皮肤包括上电极层、中间传感层以及下电极层，其中，所述上电极层包括柔性上电极以及多个触点，每一个触点设置在所述柔性上电极的上表面，所述中间传感层包括上金属膜、多孔PDMS膜、设置在PDMS膜上的多个温度传感单元以及下金属膜，所述多孔PDMS膜和温度传感单元设置在所述上金属膜与下金属膜之间，所述下电极层的上表面设置有柔性下电极。本实用新型所述柔性电子皮肤不仅具有高柔韧性和弹性，而且还具有较高灵敏度的体表温度检测功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物传感器领域，尤其涉及一种用于检测体表温度的柔性电子皮肤。
背景技术
电子皮肤是模仿人的皮肤而设计出来的一种集成的柔性可拉伸的传感系统，皮肤将接触压力和温度等信息传给大脑，而电子皮肤将环境信号转化为电信号传输给处理装置。电子皮肤在机器人、假肢制造、可穿戴的医疗实时监测设备等领域有巨大的应用需求。目前，电子皮肤主要研究的有两个方面传感，一是触觉传感，另一方面是温度传感。在温度传感方面，目前电子皮肤主要是基于金属薄片作为传感基元，这种设计一方面无法实现可拉伸的性能，另一方面金属通电后其本身产生的焦耳热使得温度测量的精度受到了限制。目前电子皮肤研究与设计面临诸多的挑战，例如，现有电子皮肤不能兼顾高柔弹性及温度传感难题，同时制作工艺复杂，很难形成成熟的应用。因此，有必要提供一种结构简单、并且能够准确检测体表温度的柔性电子皮肤。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提供一种用于检测体表温度的柔性电子皮肤，旨在解决现有电子皮肤不能兼顾高柔弹性及准确检测体表温度的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于检测体表温度的柔性电子皮肤，包括上电极层、中间传感层以及下电极层，其中，所述上电极层包括柔性上电极以及多个触点，每一个触点设置在所述柔性上电极的上表面，所述中间传感层包括上金属膜、多孔PDMS膜、设置在PDMS膜上的多个温度传感单元以及下金属膜，所述多孔PDMS膜和温度传感单元设置在所述上金属膜与下金属膜之间，所述下电极层的上表面设置有柔性下电极。
优选的，所述温度传感单元包括上层盖片、下层垫片和导电层，所述上层盖片内设有微流管，所述上层盖片与所述下层垫片相互贴合对所述微流管进行密封，所述导电层与所述上层盖片相互贴合。
优选的，所述微流管为一条圆弧首尾连接形成的蛇形回路，所述微流管内填充有离子液体。
优选的，所述上电极层、下电极层、上层盖片、下层垫片以及导电层均由PDMS材料制成。
优选的，所述上电极层、中间传感层和下电极层之间均通过柔性弹性导线连接。
优选的，所述柔性弹性导线、柔性上电极和柔性下电极均采用银纳米线AgNWs材料制作而成。
优选的，所述触点设置在与体表部位接触的上电极层上，其中，所述触点的设置位置与所述温度传感单元的设置位置一一对应并相互匹配。
优选的，所述触点采用PDMS材料制作成球形凸起状，用于感测接触的体表部位的温度并传递到对应的温度传感单元上。
优选的，所述多孔PDMS膜将每一个温度传感单元分离开以降低每一个温度传感单元之间的串扰。
优选的，所述上金属膜和下金属膜均采用金属Au材料通过电子束蒸镀和磁控溅射制成，厚度均为30nm至50nm。
相较于现有技术，本实用新型所述用于检测体表温度的柔性电子皮肤利用纳米材料银纳米线和PDMS形成的复合导电材料作为柔性导线和电极，而且采用柔性可拉伸的温度传感单元可检测出人体皮肤接触部位的体表温度。此外，由于电子皮肤的基底材料PDMS具有高柔弹性，同时采用多空PDMS的结构，使得电子皮肤不仅具有高柔韧性和弹性，而且还具有较高灵敏度的体表温度检测功能。
附图说明
图1是本实用新型用于检测体表温度的柔性电子皮肤优选实施例的结构爆炸图；
图2是本实用新型用于检测体表温度的柔性电子皮肤优选实施例的结构截面图；
图3是本实用新型用于检测体表温度的柔性电子皮肤中温度传感单元的结构示意图。
本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本实用新型的具体实施方式、结构、特征及其功效进行细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，图1是本实用新型用于检测体表温度的柔性电子皮肤优选实施例的结构爆炸图。在本实施例中，所述用于检测体表温度的柔性电子皮肤从外至内依次包括上电极层1、中间传感层2以及下电极层3。所述上电极层1、中间传感层2以及下电极层3均采用一种基于高分子材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基底制作而成。PDMS为一种高分子有机硅化合物，具有无毒、疏水性和防水性，惰性物质，非易燃性、透明且结构高弹性等特性。所述上电极层1、中间传感层2和下电极层3均通过柔性弹性导线4(图1中只示出一根柔性弹性导线4作为局部的示意结构)连接构成电子皮肤的整体。所述柔性弹性导线4采用一种基于银纳米线(AgNWs)的材料制作而成。在本实施例中，所述电子皮肤的尺寸大小可以根据实际需求设计成任意大小尺寸，例如优选为60mm×50mm×1mm。
参考图2所示，图2是本实用新型用于检测体表温度的柔性电子皮肤优选实施例的结构截面图。在本实施例中，所述上电极层1包括柔性上电极11以及多个触点12，每一个触点12设置在所述柔性上电极11的上表面。所述中间传感层2包括上金属膜20、多孔PDMS膜21、设置在PDMS膜21上的多个温度传感单元22以及下金属膜23。所述多孔PDMS膜21和温度传感单元22设置在上金属膜20与下金属膜23之间。所述下电极层3的上表面设置有柔性下电极31。
所述上电极层1采用PDMS材料作为基底，所述柔性上电极11和每一个触点12均设置在所述上电极层1的上表面，所述上电极层1的厚度优选为0.25mm，极大的提高了电子皮肤的柔性和弹性。同时，所述上电极层1的超低厚度有利于提高电子皮肤的温度分辨率。所述柔性上电极11采用基于纳米材料的银纳米线AgNWs为材料制作而成。
所述触点12分布在电子皮肤容易与外部接触的体表部位，所述触点12的设置位置与所述温度传感单元22的设置位置一一对应且相互匹配。即，一个触点12对应一个温度传感单元22。所述触点12采用PDMS材料制作成球形凸起状，以便更好地与柔性电子皮肤的体表部位接触。每一个触点12用于感测接触体表部位的温度并传递到各自对应的温度传感单元22上。本实施例在上电极层1的外表面设置的触点12减少了柔性上电极11与上金属膜20之间的相对滑动，降低了接触面的皮肤磨损。
所述上金属膜20主要采用金属Au材料通过电子束蒸镀和磁控溅射制成，厚度优选为30nm至50nm，采用纳米级厚度和金属Au具有良好的柔性、延展性等使其不会影响电子皮肤的柔性和弹性。上金属膜20能够起到固体润滑的作用，降低柔性上电极11与温度传感单元22接触面之间的磨损，同时能够减少柔性上电极11与温度传感单元22之间的接触电阻。温度传感单元22的两端覆盖30nm的上金属膜20，由于电子皮肤拉伸时，中间传感层2的形变全部被多孔PDMS膜21吸收，所以避免了上金属膜20与下金属膜23被拉伸破坏，即使在电子皮肤拉伸状态时，也能够保证上金属膜20与下金属膜23的完整性，从而有效地保证电子皮肤的柔韧性和弹性。
所述多孔PDMS膜21将每一个温度传感单元22分离开以降低每一个温度传感单元22之间的串扰，增加了中间传感层2的柔韧性和弹性，吸收了电子皮肤拉伸时的形变，消除了拉伸使温度传感单元22产生的形变。一方面使得电子皮肤在拉伸状态下同样能够利用温度传感单元22实现对接触部位的体表温度的测量，另一方面能够保证温度传感单元22免于拉伸被破坏，从而使所述柔性电子皮肤具有可靠的体表温度检测功能。
所述下电极层3也采用PDMS材料作为基底，所述柔性下电极31设置在所述下电极层3的上表面，所述下电极层3的厚度优选为0.25mm，极大的提高了电子皮肤的柔性和弹性。同时，所述下电极层3的超低厚度有利于提高电子皮肤的温度分辨率。所述柔性下电极31均采用基于银纳米线AgNWs为材料制作而成。
如图3所示，图3是本实用新型用于检测体表温度的电子皮肤中温度传感单元的结构示意图。
在本实施例中，所述温度传感单元22包括上层盖片221、下层垫片222和导电层223；所述上层盖片221、所述下层垫片222和所述导电层223均由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成。
所述上层盖片221内设有微流管224，所述微流管224为一蛇形回路，所述上层盖片221与所述下层垫片222相互贴合，进而对所述微流管224进行密封；所述导电层223与所述上层盖片221相互贴合；所述微流管224内填充有离子液体，所述离子液体的电导率随温度升高而显著变大，可用于温度的精确检测；同时，离子液体作为一种流体，所述温度传感单元22在电子皮肤拉伸弯折的情况下，离子液体的流动性保障了一定区域内的连续性，不会出现断裂的情况，使得所述温度传感单元22具有柔性可拉伸的性能。
所述上层盖片221的厚度可为1.5～2mm；所述下层垫片222的厚度可为200～300μm。所述微流管224可为一蛇形回路，所述蛇形回路为圆弧首尾连接形成的回路，所述蛇形回路的总长度在拉伸过程中保持不变或者变化很小。所述温度传感单元22，在对体表温度进行测定时，其响应信号不会受到电子皮肤的拉伸而导致电阻变化的影响。
本实用新型所述用于检测体表温度的柔性电子皮肤通过利用纳米材料银纳米线和PDMS形成的复合导电材料作为柔性导线和电极，采用柔性可拉伸的温度传感单元实现了人体皮肤接触部位的体表温度，且与皮肤相似度更高，可以实现关节等传统传感器无法覆盖部位的温度检测。此外，由于电子皮肤的基底材料PDMS具有高柔弹性，同时采用多空PDMS的结构，使得电子皮肤不仅具有高柔韧性和弹性，而且还具有较高灵敏度的温度检测功能。
本实用新型所述柔性电子皮肤同时具有通电不发热、温度检测灵敏度高的优势，适用于长时间连续的温度精确测定，可应用于军事、机器人和医疗检测设备领域中。
以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于检测体表温度的柔性电子皮肤，其特征在于，所述柔性电子皮肤包括上电极层、中间传感层以及下电极层，其中，所述上电极层包括柔性上电极以及多个触点，每一个触点设置在所述柔性上电极的上表面，所述中间传感层包括上金属膜、多孔PDMS膜、设置在PDMS膜上的多个温度传感单元以及下金属膜，所述多孔PDMS膜和温度传感单元设置在所述上金属膜与下金属膜之间，所述下电极层的上表面设置有柔性下电极。
2.如权利要求1所述的用于检测体表温度的柔性电子皮肤，其特征在于，所述温度传感单元包括上层盖片、下层垫片和导电层，所述上层盖片内设有微流管，所述上层盖片与所述下层垫片相互贴合对所述微流管进行密封，所述导电层与所述上层盖片相互贴合。
3.如权利要求2所述的用于检测体表温度的柔性电子皮肤，其特征在于，所述微流管为一条圆弧首尾连接形成的蛇形回路，所述微流管内填充有离子液体。
4.如权利要求2所述的用于检测体表温度的柔性电子皮肤，其特征在于，所述上电极层、下电极层、上层盖片、下层垫片以及导电层均由PDMS材料制成。
5.如权利要求1所述的用于检测体表温度的柔性电子皮肤，其特征在于，所述上电极层、中间传感层和下电极层之间均通过柔性弹性导线连接。
6.如权利要求5所述的用于检测体表温度的柔性电子皮肤，其特征在于，所述柔性弹性导线、柔性上电极和柔性下电极均采用银纳米线AgNWs材料制作而成。
7.如权利要求1所述的用于检测体表温度的柔性电子皮肤，其特征在于，所述触点设置在与体表部位接触的上电极层上，其中，所述触点的设置位置与所述温度传感单元的设置位置一一对应并相互匹配。
8.如权利要求7所述的用于检测体表温度的柔性电子皮肤，其特征在于，所述触点采用PDMS材料制作成球形凸起状，用于感测接触的体表部位的温度并传递到对应的温度传感单元上。
9.如权利要求1至8任一项所述的用于检测体表温度的柔性电子皮肤，其特征在于，所述多孔PDMS膜将每一个温度传感单元分离开以降低每一个温度传感单元之间的串扰。
10.如权利要求1至8任一项所述的用于检测体表温度的柔性电子皮肤，其特征在于，所述上金属膜和下金属膜均采用金属Au材料通过电子束蒸镀和磁控溅射制成，厚度均为30nm至50nm。
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