CN109770866B

CN109770866B - 一种高灵敏度电子皮肤的制备方法

Info

Publication number: CN109770866B
Application number: CN201811511156.0A
Authority: CN
Inventors: 谢丽萍
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: CN109770866A

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，包括：通过对衬底进行处理，使衬底表面形成亲疏水图案；将导电材料填充到亲疏水图案上的亲水区域内，使导电材料在衬底表面形成导电层；将导电层从衬底表面转移到第一封装层上后，在导电层的输出端连接引线；通过在导电层远离第一封装层的一面覆盖第二封装层，使导电层以及引线封装在第一封装层和第二封装层之间，进而形成单片导电极板；将两片单片导电极板内的导电层对齐后，将两片单片导电极板的四周进行整体封装，即得到高灵敏度电子皮肤。本发明提供的高灵敏度电子皮肤的制备方法不但简单、易操作、低成本，而且在制备过程中无需贵重仪器和经过专业训练的人员操作。

Description

一种高灵敏度电子皮肤的制备方法

技术领域

本发明属于柔性传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度电子皮肤的制备方法。

背景技术

随着人们对个人健康管理、人机交互、智能军事可穿戴设备需求的增加，柔性可穿戴电子产品的市场也在快速增长。传感器是物联网(I oT)的关键部分，它们使物理对象与其用户之间具有强大的网络连接。可穿戴电子产品已经提前开启了软机器人、下一代假肢、可穿戴健康监测设备的应用。能跟踪脉搏、血压、血糖等关键生理指标，对慢性疾病的诊断、治疗、术后康复以及癫痫、心搏骤停等危及生命的情况作出及时反应有很大帮助。

到目前为止，许多工作都致力于开发可穿戴传感器，目前有基于电容、电阻、压电和摩擦电等传感机制的可穿戴传感器。在这些机制中，基于电容变化的机理由于信号的可重复性、温度波动小、功耗低、湿度稳定等优点，引起了人们极大的研究兴趣。目前的制造主要以光刻、转印、丝网印刷技术和喷墨印刷技术为主。遗憾的是，这些之前报道的方法大多制作工艺复杂，耗时较长，成本较高，不利于大规模生产，限制了它们的实际应用,且这些技术都需要专门的技术知识和专门的人才。通过简单的制造工艺，以成本效益高的方式制造高灵敏度、高灵活性和高耐磨性的可穿戴传感器是非常必要但具有挑战性的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种高灵敏度电子皮肤的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，包括：

通过对衬底进行处理，使所述衬底表面形成亲疏水图案；

将导电材料填充到所述亲疏水图案上的亲水区域内，使所述导电材料在所述衬底表面形成导电层；

将所述导电层从所述衬底表面转移到第一封装层上后，在所述导电层的输出端连接引线；

通过在所述导电层远离所述第一封装层的一面覆盖第二封装层，使所述导电层以及引线封装在所述第一封装层和第二封装层之间，进而形成单片导电极板；

将两片所述单片导电极板内的导电层对齐后，将两片所述单片导电极板的四周进行整体封装，即得到高灵敏度电子皮肤。

进一步的，在通过对所述衬底进行处理时，所述采用的处理方法包括折叠纸模板法、光刻法、印章法、蜡印法、喷墨打印法、丝网印刷法、化学转化膜处理、模板法、物理气相沉积法和等离子蚀刻法等方法中一种或几种的组合。

进一步的，所述折叠纸模板法包括：在纸模板切割成折叠的镂空的图案后，将衬底材料放入所述折叠纸模板的中间，使得阻隔材料浸入所述衬底材料中，使所述衬底材料上形成亲疏水的图案，获得所述衬底

进一步的，所述衬底包括面巾纸，硝基纤维素膜，定性滤纸，层析纸，PET膜，纳米纤维基，棉布，丝巾，天然橡胶薄膜等含有微结构的生物材料中的一种或几种的组合。

进一步的，所述导电层材料包括活性炭、硅纳米带、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米线、金属纳米颗粒、金属纳米线、过渡金属氧化物、过渡金属二硫化物、过渡金属硫属元素化物、导电聚合物、有机导电高分子材料、碳素材料及其复合材料中的一种或几种的组合。

进一步的，在将所述导电材料填充到所述亲疏水图案上的亲水区域内时，所采用的填充方法包括移液器滴加、喷墨打印、旋涂法、喷涂法、印章法等方法中一种或几种的组合。

进一步的，所述导电材料在所述衬底表面形成的导电层的图案包括椭圆形、圆形、矩形、星形、三角形、五边形、六边形、箭头形、半月形等基础图形及贝塞尔曲线、Peano、Hilbert、Moore、Greek cross曲线等分形曲线中的一种或几种的组合。

进一步的，所述第一封装层和第二封装层均由聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨基甲酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚乳酸、聚氨酯、聚多巴胺、聚羟基链烷酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈中的一种或几种的组合制备而成。

进一步的，在将所述导电层从所述衬底表面转移到第一封装层上时，包括：

将所述第一封装层黏贴在所述导电层上，再将所述衬底除去，即完成将所述导电层转移到所述第一封装层上。

进一步的，所述第一封装层和第二封装层的厚度均为0.1-10000μm，面积大小均为0.1-10000mm²；所述导电层的厚度为0.01-1000μm，面积大小为0.1-10000mm²。

本发明提供的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，通过在衬底表面的亲疏水图案上的亲水区域内填充导电材料，使导电材料在衬底形成与亲疏水图案形状一致的导电层，再将导电层从衬底表面转移到第一封装层上后，再通过第一封装层和第二封装层对导电层进行密封来形成单片导电极板；最后将两片单片导电极板四周进行整体封装，即得到高灵敏度电子皮肤；因此，本发明提供的高灵敏度电子皮肤的制备方法不但简单、易操作、低成本，而且在制备过程中无需贵重仪器和专业技术人员操作，同时，采用本发明制备的电子皮肤具有灵敏度高，可穿戴性佳，稳定性好，线性范围宽，检测范围大的特点。

附图说明

图1为本发明示例性实施例的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法的流程图；

图2为本发明示例性实施例制备的一种高灵敏度电子皮肤的结构示意图；

图3为本发明示例性实施例的折叠模板纸、单片电极板的照片；

图4为本发明示例性实施例制备的高灵敏度电子皮肤在不同压力作用下的测试结果；

图5为本发明示例性实施例制备的高灵敏度电子皮肤在贴在胸部测得的呼吸信号；

图6为本发明示例性实施例制备的高灵敏度电子皮肤贴在手腕桡动脉处测得的脉搏波信号。

图中：1-导电层，2-第一单片导电极板，3-第二单片导电极板，4-引线。

具体实施方式

为克服现有技术中的不足，本发明提供一种高灵敏度电子皮肤的制备方法。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，包括：

S100、通过对衬底进行处理，使衬底表面形成亲疏水图案；

S200、将导电材料填充到亲疏水图案上的亲水区域内，使导电材料在衬底表面形成导电层；

S300、将第一封装层黏贴在导电层上，再将衬底除去，即完成将导电层转移到第一封装层上，在导电层的输出端连接引线；

S400、通过在导电层远离第一封装层的一面覆盖第二封装层，使导电层以及引线封装在第一封装层和第二封装层之间，进而形成单片导电极板；

S500、将两片单片导电极板内的导电层对齐后，将两片单片导电极板的四周进行整体封装，即得到高灵敏度电子皮肤。

作为一优选实施方式，在通过对衬底进行处理时，采用的处理方法包括折叠纸模板法、光刻法、印章法、蜡印法、喷墨打印法、丝网印刷法、化学转化膜处理、模板法、物理气相沉积法和等离子蚀刻法等方法中一种或几种的组合。

其中，所述折叠纸模板法包括：在纸模板切割成折叠的镂空的图案后，在纸模板上涂抹阻隔材料，将衬底材料放入所述折叠纸模板的中间，使得阻隔材料浸入所述衬底材料中，使所述衬底材料上形成亲疏水的图案，获得所述衬底；阻隔材料包括是聚二甲基硅氧烷、油性墨水、光刻胶、蜡中的一种或几种，纸模板包括打印纸或滤纸。

作为一优选实施方式，衬底包括面巾纸，硝基纤维素膜，定性滤纸，层析纸，PET膜，纳米纤维基，棉布，丝巾，天然橡胶薄膜等含有微结构的生物材料中的一种或几种的组合。

作为一优选实施方式，导电层材料包括活性炭、硅纳米带、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米线、金属纳米颗粒、金属纳米线、过渡金属氧化物、过渡金属二硫化物、过渡金属硫属元素化物、导电聚合物、有机导电高分子材料、碳素材料及其复合材料中的一种或几种的组合。

作为一优选实施方式，在将导电材料填充到亲疏水图案上的亲水区域内时，所采用的填充方法包括移液器滴加、喷墨打印、旋涂法、喷涂法、印章法等方法中一种或几种的组合。

作为一优选实施方式，导电材料在所述衬底表面形成的导电层的图案包括椭圆形、圆形、矩形、星形、三角形、五边形、六边形、箭头形、半月形等基础图形及贝塞尔曲线、Peano、Hilbert、Moore、Greek cross曲线等分形曲线中的一种或几种的组合。

作为一优选实施方式，第一封装层和第二封装层均由聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨基甲酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚乳酸、聚多巴胺、聚羟基链烷酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈中的一种或几种的组合制备而成。

作为一优选实施方式，第一封装层和第二封装层的厚度均为0.1-10000μm，面积大小均为0.1-10000mm²；导电层的厚度为0.01-1000μm，面积大小为0.1-10000mm²。

本实施例提供的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法制备出的电子皮肤由上下两个单片导电极组成，其中单片导电极板由导电层和封装层构成，并且，在单片导电极板中的导电层的图案可以根据需要设计成不同的形状，同时，由柔性材料制备的第一封装层和第二封装层将导电层封装形成单个电极板，使两个单片导电极板构成电容型柔性电子皮肤，该电子皮肤检测灵敏度高，可达到14.135kPa^-1。

实施例1

一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，包括：

S100、使用雕刻机/刀刻的方式在打印纸上雕刻特定的图样，形成具有对称的镂空图案的折叠纸模板，并通过玻璃棒将聚二甲基硅氧烷溶液(基质：连接剂＝10:1)均匀适量地涂抹到折叠纸模板上，再将单层面巾纸夹入折叠纸模板中形成三明治结构，静置1分钟，待到聚二甲基硅氧烷溶液完全浸润面巾纸且无扩散后将面巾纸从折叠纸模板取出，并放到60℃烘箱中烘干，即可获得有亲疏水图案的衬底，其图案如图3所示。

S200、通过移液器吸取银纳米线的乙醇溶液，滴加到衬底的亲疏水图案上的亲水区域内，待其自然干燥后，即可得到衬底上的银纳米线构成的导电层。

S300、选择由聚氨基甲酸酯制备而成的医用PU膜封装作为第一封装层，通过第一封装层黏贴在导电层的一侧，待该侧封装好后，再将衬底取下，即完成将导电层转移到第一封装层上，并使导电层与第一封装层封装在一起，再在导电层的输出端连接引线；

S400、选择由聚氨基甲酸酯制备而成的医用PU膜封装作为第二封装层，通过在导电层远离第一封装层的另一面覆盖第二封装层，使导电层以及引线封装在第一封装层和第二封装层之间，进而形成单片导电极板；

S500、将两片单片导电极板内的导电层对齐后，将两片单片导电极板的四周通过医用PU膜进行整体封装，即得到如图2所示的高灵敏度电子皮肤。

图4为实施例制备的电子皮肤在不同压力作用下的测试结果，由于当受到外界力对电子皮肤施加力的作用，上下两层导电极板之间的距离将发生改变，进而使得柔性电子皮肤的电容大小发生变化，电子皮肤在当前外力作用下的响应以电容变化体现出来。因此，由图4可以看出，本实施例制备的电子皮肤在压力作用下，电容的变化呈现分段线性化，在不同压力范围0-0.8kPa、0.8-6.4kPa、6.4-40kPa、40-300kPa作用下，传感器的灵敏度分别为14.135kPa^-1、1.570kPa^-1、0.303kPa^-1、0.055kPa^-1。可以看出上述传感器具有较宽的动态范围，可以感受0-300kPa的压力，且在较小压力范围内如0-0.8kPa，灵敏度可以达到14.135kPa^-1，从40KPa提高到300KPa时，其电容大小变化是稳定上升的，可见其具有较强的稳定性和较好的线性。

图5为实施例制备的电子皮肤贴在胸部测得的呼吸信号。可以看出上述电子皮肤可以实时跟踪呼吸信号，呼气和吸气的引起的压力变化以电容变化的形式输出,因此，本实施例制备的电子皮肤可以准确的测量人体呼吸信号。

图6为实施例制备的电子皮肤在贴在手腕桡动脉处测得的脉搏波信号。可以看出所述电子皮肤可以实时并且准确的测量脉搏波信号，脉搏波信号的特征峰可以准确清晰的记录下来。

实施例2

参照实施例1，本实施例提供的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法与之不同之处在于，步骤S100中使用蜡印打印法进行衬底微流通道的制作，具体步骤替换为如下：将图案编辑好的导电层图案通过蜡印打印机打印在面巾纸上，得到具有亲疏水图案的衬底。

实施例3

参照实施例1，本实施例提供的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法与之不同之处在于，步骤S200中使用的导电层材料为碳纳米管溶液。

实施例4

参照实施例1，本实施例提供的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法与之不同之处在于，步骤S400中使用的第一封装层和第二封装层为PDMS薄膜。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过对衬底进行处理，使所述衬底表面形成亲疏水图案；其中，在通过对所述衬底进行处理时，所述采用的处理方法是折叠纸模板法，所述折叠纸模板法包括：在纸模板切割成折叠的镂空的图案后，在所述纸模板上涂抹阻隔材料，将衬底材料放入所述折叠纸模板的中间，使得阻隔材料浸入所述衬底材料中，使所述衬底材料上形成亲疏水的图案，获得所述衬底；

(2)将导电材料填充到所述亲疏水图案上的亲水区域内，使所述导电材料在所述衬底表面形成导电层；

(3)将所述导电层从所述衬底表面转移到第一封装层上后，在所述导电层的输出端连接引线；通过在所述导电层远离所述第一封装层的一面覆盖第二封装层，使所述导电层以及引线封装在所述第一封装层和第二封装层之间，进而形成单片导电极板；

(4)将两片所述单片导电极板内的导电层对齐后，将两片所述单片导电极板的四周进行整体封装，即得到高灵敏度电子皮肤。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述衬底为面巾纸、硝基纤维素膜、定性滤纸、层析纸、PET膜、纳米纤维基、棉布、丝巾、天然橡胶薄膜含有微结构的生物材料中的一种或几种的组合。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述导电层材料包括活性炭、硅纳米带、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米线、金属纳米颗粒、金属纳米线中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于，在将所述导电材料填充到所述亲疏水图案上的亲水区域内时，所采用的填充方法包括移液器滴加、喷墨打印、旋涂法、喷涂法、印章法中一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述导电材料在所述衬底表面形成的导电层的图案包括椭圆形、圆形、矩形、星形、三角形、五边形、六边形、箭头形、半月形及贝塞尔曲线、Peano、Hilbert、Moore、Greek cross曲线中的一种或几种的组合。

6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述第一封装层和第二封装层均由聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨基甲酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚乳酸、聚多巴胺、聚羟基链烷酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈中的一种或几种的组合制备而成。

7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于，在将所述导电层从所述衬底表面转移到第一封装层上时，包括：

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述第一封装层和第二封装层的厚度均为0.1-10000μm，面积大小均为0.1-10000mm²；所述导电层的厚度为0.01-1000μm，面积大小为0.1-10000mm²。