專利名稱：壓阻式電子皮膚及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種壓阻式電子皮膚及其制備方法。
背景技術(shù)：
機(jī)器人，作為人工智能的自動(dòng)化器件，越來越多的融入到人類的日常生活，并在諸如高溫、高壓、排爆等危險(xiǎn)性行業(yè)代替了人類而執(zhí)行相關(guān)工作。目前的機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)通過各類傳感器的集成，實(shí)現(xiàn)了許多諸如人類的視覺、聽覺和嗅覺功能。但是，如何像人類一樣，擁有敏感的觸覺功能，一直以來也是機(jī)器人系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)性問題之一。電子皮膚的誕生將給機(jī)器人系統(tǒng)帶來了巨大的變化，使得機(jī)器人可以從外界環(huán)境獲得更多的信息。盡管自2004年以來，日本和美國的部分研究組已經(jīng)報(bào)道了基于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管型、電容式和壓阻式的電子皮膚，但卻各有利弊，例如，復(fù)雜的加工工藝和器件結(jié)構(gòu)、較大的驅(qū)動(dòng)電壓、較低的靈敏度、剛性硅基材料的使用使得器件具有非透明和非柔性等特點(diǎn)也限制了器件的使用范圍。因此，確有必要提供一種結(jié)構(gòu)簡單、高靈敏度、高精確度和耐用的人工電子皮膚。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種全新結(jié)構(gòu)的基于碳納米管薄膜的壓阻式電子皮膚，其具有低成本、低驅(qū)動(dòng)電壓、聞靈敏度、快響應(yīng)時(shí)間、聞穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，本 發(fā)明提供了一種壓阻式電子皮膚，其包括:兩柔性襯底；兩導(dǎo)電層，分別涂覆在兩柔性襯底上，兩導(dǎo)電層相互接觸；兩導(dǎo)電極，分別與兩導(dǎo)電層接觸。優(yōu)選的，所述至少一柔性襯底采用聚二甲基硅氧烷薄膜。優(yōu)選的，所述聚二甲基硅氧烷薄膜的至少一面具有圖案，所述圖案的尺寸在
0.1-500 μ m 之間。優(yōu)選的，所述導(dǎo)電層包括碳納米管薄膜，所述碳納米管薄膜主要由碳納米管交織的網(wǎng)絡(luò)組成。優(yōu)選的，所述碳納米管薄膜的透光率為50-97%，方阻為IOO-1O7 Ω/sq。優(yōu)選的，所述碳納米管薄膜的厚度一般在10nm-500nm左右，是由單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或者多種的復(fù)合所形成的，其中，所述單壁碳納米管為金屬性單壁碳納米管或同時(shí)含有金屬性和半導(dǎo)體性碳納米管的混合單壁碳納米管。優(yōu)選的，所述導(dǎo)電層可以為銅、銀和金中的任意導(dǎo)電金屬或半導(dǎo)體材料的一種或二種以上的組合。優(yōu)選的，所述導(dǎo)電極是采用金、鉬、鎳、銀、銦、銅、碳納米管和石墨烯中的任意一種材料或者二種以上材料的組合制成的。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種壓阻式電子皮膚的制備方法，步驟如下:S1、制備兩圖案化的柔性襯底，其中至少一層為聚二甲基硅氧烷薄膜；S2、制備碳納米管溶液，并分別涂覆至兩柔性襯底帶有圖案的表面，形成碳納米管薄膜，將帶有圖案的碳納米管薄膜的一側(cè)面對(duì)面組裝，形成碳納米管薄膜相互接觸的薄膜器件；S3、使用導(dǎo)電材料分別在兩碳納米管薄膜上形成上、下導(dǎo)電極，并從導(dǎo)電極上引出導(dǎo)線，得到壓阻式電子皮膚。優(yōu)選的，所述SI中的聚二甲基硅氧烷薄膜是通過如下方法制備的:S11、將聚二甲基硅氧烷在真空中去氣1-30分鐘，并倒入在一個(gè)設(shè)有圖案的模板上，聚二甲基硅氧烷的厚度在0.l_3mm之間，之后在50-100°C的溫度下加熱0.5小時(shí)以上固化成型；S12、固化成型后的聚二甲基硅氧烷在有機(jī)溶劑中超聲5-30分鐘后從模板上取下。優(yōu)選的，所述模板可以是具有微結(jié)構(gòu)的硅襯底、金屬襯底、布料、絲綢制品或具有微結(jié)構(gòu)的生物體器官；所述有機(jī)溶劑可以是甲醇、乙醇或乙二醇。優(yōu)選的，所述步驟S2具體可以包括:S21、將單壁和/或雙壁、少壁、多壁的碳納米管加入含lwt%-10wt%的表面活性劑的水溶液，直至碳納米管濃度為0.01-50mg/ml,然后,將該混合溶液超聲預(yù)分散Imin-1Oh,形成碳納米管分散液；

S22、對(duì)該碳納米管分散液以1000-20000rpm的速率離心處理0.1h以上，取上清液作為成膜前溶液；S23、采用去離子水將成膜前溶液稀釋1-100倍，然后，將稀釋的碳納米管溶液使用噴筆均勻地噴涂至兩柔性襯底帶有圖案的表面，形成碳納米管薄膜，將帶有圖案的碳納米管薄膜的一側(cè)面對(duì)面組裝，形成碳納米管薄膜相互接觸的薄膜器件。優(yōu)選的，所述步驟S23中在組裝成薄膜器件之前，采用去離子水多次浸泡所述表面有碳納米管薄膜的薄膜，用以去除表面活性劑，干燥后再以濃度為3-8M的強(qiáng)酸處理所述碳納米管薄膜0.l_24h。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果在于:該壓阻式電子皮膚采用碳納米管薄膜為導(dǎo)電層和聚二甲基硅氧烷、聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮甲醛、聚乙烯等材質(zhì)為柔性襯底，使得基底具有高柔性易彎曲等優(yōu)點(diǎn)，且其工作電壓低，功耗小，靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短。更為重要的是，本發(fā)明中采用圖案化的柔性襯底作為基體，增加了接觸電阻的數(shù)量，極大的提高了電子皮膚對(duì)外界微小作用力的靈敏度。同時(shí)，其圖案化過程所選用的模板為無需任何復(fù)雜微加工過程、唾手可得而又價(jià)格低廉的布料或絲綢等軟模板。


圖1是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為具有微圖案的聚二甲基硅氧烷薄膜的SEM圖片；圖3為單壁碳納米管薄膜的SEM圖片；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的壓力與電阻變化的示意圖5為本發(fā)明制備方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。請(qǐng)參考圖1，該實(shí)施例揭示了一種壓阻式電子皮膚，其包括:兩柔性襯底11、12;兩導(dǎo)電層21、22，分別涂覆在兩柔性襯底11、12上，兩導(dǎo)電層21、22相互接觸；兩導(dǎo)電極31、32，分別與兩導(dǎo)電層21、22接觸。所述至少一柔性襯底采用聚二甲基硅氧烷薄膜，所述聚二甲基硅氧烷薄膜的至少一面具有微納米圖案，所述圖案的尺寸在0.1-500 μ m之間。所述導(dǎo)電層21、22包括碳納米管薄膜，所述碳納米管薄膜主要由碳納米管交織的網(wǎng)絡(luò)組成。所述碳納米管薄膜的透光率為50-97%，方阻為100-107Q/Sq。所述碳納米管薄膜的厚度一般在10nm-500nm左右，是由單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或者多種的復(fù)合所形成的，其中，所述單壁碳納米管為金屬性單壁碳納米管或同時(shí)含有金屬性和半導(dǎo)體性碳納米管的混合單壁碳納米管。所述碳納米管薄膜，也可以是經(jīng)過氮或硼、貴金屬、金屬、表面活性劑及有機(jī)高分子化合物等參雜或修飾的碳納米管薄膜。所述碳納米管可采用通過羥基(-0H)、羧基(-C00H)、氨基(-NH2)功能化的碳納米管、高分子聚合物功能化的碳納米管、金屬納米粒子功能化的碳納米管、金屬氧化物功能化的碳納米管及生物分子功能化的碳納米管。所述導(dǎo)電層21、22還可以是銅、銀和金中的任意導(dǎo)電金屬或半導(dǎo)體材料的一種或二種以上的組合。

具體參照?qǐng)D1的實(shí)施例，導(dǎo)電極31是與導(dǎo)電層21連接而未和導(dǎo)電層22連接，導(dǎo)電極32是與導(dǎo)電層22連接而未和導(dǎo)電層21連接，具有微納米圖案的碳管薄膜只能分別與其中的一個(gè)導(dǎo)電極連接。此外，所述導(dǎo)電極31、32是采用金、鉬、鎳、銀、銦、銅、碳納米管和石墨烯中的任意一種材料或者二種以上材料的組合制成的。請(qǐng)參照?qǐng)D5，本發(fā)明還提供了一種壓阻式電子皮膚的制備方法，步驟如下:S1、制備兩圖案化的柔性襯底，其中至少一層為聚二甲基硅氧烷薄膜；在SI中，所述聚二甲基硅氧烷薄膜是通過如下方法制備的:S11、將聚二甲基硅氧烷在真空中去氣1-30分鐘，并倒入在一個(gè)設(shè)有圖案的模板上，聚二甲基硅氧烷的厚度在0.l_3mm之間，之后在50-100°C的溫度下加熱0.5小時(shí)以上固化成型；S12、固化成型后的聚二甲基硅氧烷在有機(jī)溶劑中超聲5-30分鐘后從模板上取下。所述模板可以是具有微結(jié)構(gòu)的硅襯底、金屬襯底、布料、絲綢制品或具有微結(jié)構(gòu)的生物體器官；所述有機(jī)溶劑可以是甲醇、乙醇或乙二醇。所述制得的聚二甲基硅氧烷薄膜的一面或者兩面放置于氧氣等離子條件下，作用1-60分鐘。所述聚二甲基硅氧烷薄膜還可以是高分子材料，可選自但不限于聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮甲醛和聚乙烯中的任意一種或二種以上的組合。請(qǐng)參照?qǐng)D2，為所制備的帶有微納米圖案的聚二甲基硅氧烷薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，說明聚二甲基硅氧烷薄膜上構(gòu)筑了具有周期性微結(jié)構(gòu)的圖案。
S2、制備碳納米管溶液，并分別涂覆至兩柔性襯底帶有圖案的表面，形成碳納米管薄膜，將帶有圖案的碳納米管薄膜的一側(cè)面對(duì)面組裝，形成碳納米管薄膜相互接觸的薄膜器件；在S2中，所述步驟S2具體可以包括:S21、將單壁和/或雙壁、少壁、多壁的碳納米管加入含lwt%-10wt%的表面活性劑的水溶液，直至碳納米管濃度為0.01-50mg/ml,然后,將該混合溶液超聲預(yù)分散Imin-1Oh,形成碳納米管分散液；本實(shí)施方式中，所述的表面活性劑可采用常見的離子型或非離子型表面活性劑，優(yōu)選采用離子型表面活性劑，本發(fā)明尤其優(yōu)選采用但不限于十二烷基磺酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉等，其濃度優(yōu)選為l_10wt%。S22、對(duì)該碳納米管分散液以1000-20000rpm的速率離心處理0.1h以上，取上清液作為成膜前溶液；S23、采用去離子水將成膜前溶液稀釋1-100倍，然后，將稀釋的碳納米管溶液使用噴筆均勻地噴涂至兩柔性襯底帶有圖案的表面，形成碳納米管薄膜，將帶有圖案的碳納米管薄膜的一側(cè)面對(duì)面組裝，形成碳納米管薄膜相互接觸的薄膜器件。需要說明的是，該碳納米管薄膜的厚度和導(dǎo)電率可由所含碳納米管的量噴涂的時(shí)間來決定。碳納米管的用量越高噴涂時(shí)間越長，其強(qiáng)度越大，導(dǎo)電性越好。本實(shí)施方式中，所述的成膜工序可采用真空抽濾或旋涂、噴涂、印刷等常規(guī)成膜方式。舉例而言，若采用噴涂成膜方式，其方案具體為:取稀釋后的碳納米管分散液以0.1-1psi的壓力用噴筆噴涂在具有圖案的聚二甲基硅氧烷薄膜上，然后將薄膜放在加熱爐上，加熱至80-12(TC，加快水分蒸發(fā)，再用去離子水清洗碳納米管薄膜中的殘留表面活性劑，便可制得附著于帶有圖案的聚二甲基硅氧烷薄膜的碳納米管薄膜。若采用印刷、涂覆等成膜方式，其方案具`體為:采用旋涂、噴涂等方式將稀釋后的碳納米管分散液于具有玻璃、云母、硅片等具有平整表面的材料上成膜。相應(yīng)的，去除該基底的較好方法是:采用水或含酸、堿、鹽等的水溶液浸潰至碳納米管薄膜從基底上脫落，然后將該碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移至圖案化的聚二甲基硅氧烷薄膜之上。此外，所述步驟S23中在組裝成薄膜器件之前，采用去離子水多次浸泡所述表面有碳納米管薄膜的薄膜，用以去除表面活性劑，干燥后再以濃度為3-8M的強(qiáng)酸處理所述碳納米管薄膜0.l-24h。本實(shí)施方式中，強(qiáng)酸可以是硝酸、鹽酸中的任意一種或混合。請(qǐng)參照?qǐng)D3，為單壁碳納米管粘附與聚二甲基硅氧烷薄膜上后的SEM照片，說明單壁碳納米管相互交織，很好的粘附于聚二甲基硅氧烷薄膜表面。S3、使用導(dǎo)電材料分別在兩碳納米管薄膜上形成上、下導(dǎo)電極，并從導(dǎo)電極上引出導(dǎo)線，得到壓阻式電子皮膚。在S3中，導(dǎo)電材料作為電極，一般是銀漿或銀膠，也可以是通過蒸度或者離子濺射等方法做的氣體電極，如金，銀，銅，鋁等。請(qǐng)參照?qǐng)D4，在IV的工作電壓下、空氣氛圍中，測(cè)量該電阻式傳感器的電阻值為110-120k Ω，在30秒、60秒、90秒的時(shí)間點(diǎn)上，分別對(duì)應(yīng)施加60Pa、120Pa、180Pa的壓力后，電阻值快速下降，例如當(dāng)施加60Pa的壓力后，電阻值快速下降至95-105kQ，結(jié)果表明該電阻式傳感器具有高靈敏度和很短的響應(yīng)時(shí)間。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果在于:該壓阻式電子皮膚采用碳納米管薄膜為導(dǎo)電層和聚二甲基硅氧烷、聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮甲醛、聚乙烯等材質(zhì)為柔性襯底，使得基底具有高柔性易彎曲等優(yōu)點(diǎn)，且其工作電壓低，功耗小，靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短。更為重要的是，本發(fā)明中采用圖案化的柔性襯底作為基體，增加了接觸電阻的數(shù)量，極大的提高了電子皮膚對(duì)外界微小作用力的靈敏度。同時(shí)，其圖案化過程所選用的模板為無需任何復(fù)雜微加工過程、唾手可得而又價(jià)格低廉的布料或絲綢等軟模板。本發(fā)明的電子皮膚可用于對(duì)人體生理信號(hào)的檢測(cè)，包括人體脈搏跳動(dòng)、心臟跳動(dòng)、眼球壓力、說話引起的喉部肌肉群震動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)引起的身體其他部位肌肉和表皮的運(yùn)動(dòng)。舉例來說，在用于 對(duì)人體手腕部位脈搏跳動(dòng)的檢測(cè)時(shí)，可精確分辨脈搏中的P峰、T峰和D峰，而所述人體脈搏跳動(dòng)包括由于動(dòng)脈跳動(dòng)引起的人體各個(gè)部位的跳動(dòng)?？梢岳斫獾氖?，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思做出其他各種相應(yīng)的改變與變形，而所有這些改變與變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種壓阻式電子皮膚，其特征在于，包括: 兩柔性襯底； 兩導(dǎo)電層，分別涂覆在兩柔性襯底上，兩導(dǎo)電層相互接觸； 兩導(dǎo)電極，分別與兩導(dǎo)電層接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式電子皮膚，其特征在于:所述至少一柔性襯底采用聚二甲基硅氧烷薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓阻式電子皮膚，其特征在于:所述聚二甲基硅氧烷薄膜的至少一面具有圖案，所述圖案的尺寸在0.1-500 μ m之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式電子皮膚，其特征在于:所述導(dǎo)電層包括碳納米管薄膜，所述碳納米管薄膜主要由碳納米管交織的網(wǎng)絡(luò)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓阻式電子皮膚，其特征在于:所述碳納米管薄膜的透光率為 50-97%，方阻為 IOO-1O7 Ω/sq。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓阻式電子皮膚，其特征在于:所述碳納米管薄膜的厚度一般在10nm-500nm之間，是由單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或者多種的復(fù)合所形成的，其中，所述單壁碳納米管為金屬性單壁碳納米管或同時(shí)含有金屬性和半導(dǎo)體性碳納米管的混合單壁碳納米管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式電子皮膚，其特征在于:所述導(dǎo)電層可以為銅、銀和金中的任意導(dǎo)電金屬或半導(dǎo)體材料的一種或二種以上的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式電子皮膚，其特征在于:所述導(dǎo)電極是采用金、鉬、鎳、銀、銦、銅、碳納米管和石墨烯中的任意一種材料或者二種以上材料的組合制成的。
9.一種壓阻式電子皮膚的制備方法，其特征在于，步驟如下: 51、制備兩圖案化的柔性襯底，其中至少一層為聚二甲基硅氧烷薄膜； 52、制備碳納米管溶液，并分別涂覆至兩柔性襯底帶有圖案的表面，形成碳納米管薄膜，將帶有圖案的碳納米管薄膜的一側(cè)面對(duì)面組裝，形成碳納米管薄膜相互接觸的薄膜器件； 53、使用導(dǎo)電材料分別在兩碳納米管薄膜上形成上、下導(dǎo)電極，并從導(dǎo)電極上引出導(dǎo)線，得到壓阻式電子皮膚。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓阻式電子皮膚的制備方法，其特征在于:所述SI中的聚二甲基硅氧烷薄膜是通過如下方法制備的: 511、將聚二甲基硅氧烷在真空中去氣1-30分鐘，并倒入在一個(gè)設(shè)有圖案的模板上，聚二甲基硅氧烷的厚度在0.l_3mm之間，之后在50_100°C的溫度下加熱0.5小時(shí)以上固化成型； 512、固化成型后的聚二甲基硅氧烷在有機(jī)溶劑中超聲5-30分鐘后從模板上取下。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的壓阻式電子皮膚的制備方法，其特征在于:所述模板可以是具有微結(jié)構(gòu)的硅襯底、金屬襯底、布料、絲綢制品或具有微結(jié)構(gòu)的生物體器官；所述有機(jī)溶劑可以是甲醇、乙醇或乙二醇。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓阻式電子皮膚的制備方法，其特征在于:所述步驟S2具體可以包括: S21、將單壁和/或雙 壁、少壁、多壁的碳納米管加入含lwt%-10wt%的表面活性劑的水溶液，直至碳納米管濃度為0.01-50mg/ml,然后,將該混合溶液超聲預(yù)分散Imin-1Oh,形成碳納米管分散液； S22、對(duì)該碳納米管分散液以1000-20000rpm的速率離心處理0.1h以上，取上清液作為成膜前溶液； S23、采用去離子水將成膜前溶液稀釋1-100倍，然后，將稀釋的碳納米管溶液使用噴筆均勻地噴涂至兩柔性襯底帶有圖案的表面，形成碳納米管薄膜，將帶有圖案的碳納米管薄膜的一側(cè)面對(duì)面組裝，形成碳納米管薄膜相互接觸的薄膜器件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的壓阻式電子皮膚的制備方法，其特征在于:所述步驟S23中在組裝成薄膜器件之前，采用去離子水多次浸泡所述表面有碳納米管薄膜的薄膜，用以去除表面活性劑，干燥后再以濃度為3-8M的 強(qiáng)酸處理所述碳納米管薄膜0.l-24h。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種壓阻式電子皮膚及其制備方法，所述壓阻式電子皮膚采用碳納米管薄膜為導(dǎo)電層和具有微納米圖案的聚二甲基硅氧烷、聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮甲醛、聚乙烯等材質(zhì)為基底，使得基底具有高柔性易彎曲等優(yōu)點(diǎn)，且其工作電壓低，功耗小，靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短。更為重要的是，本發(fā)明中采用圖案化的柔性襯底作為基體，極大的提高了電子皮膚對(duì)外界微小作用力的靈敏度。
文檔編號(hào)A61B3/16GK103083007SQ201310034478
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者張珽, 王學(xué)文, 顧楊, 熊作平, 李光輝 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所