CN110231110A - 一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法,包括:第一柔性衬底:外表面包裹第一封装层、内表面为具有规则形状或不规则形状的第一基底,该第一基底的表面涂有第一导电层,第二柔性衬底:外表面包裹第二封装层、内表面为具有不规则形状的第二基底,该第二基底的表面涂有第二导电层,第二基底与第一基底相对设置,第一柔性衬底及第二柔性衬底的内表面均设有电极。与现有技术相比,本发明所制备得到的器件灵敏度高、线性度宽,所使用的制备工艺简单、成本低,具有批量生产的前景。

Description

一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域,尤其是涉及一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法。
背景技术
使用电子器件模拟人体皮肤成为一个新兴的研究领域引起研究者的极大兴趣,它在人工智能和人机交互领域具有广泛的应用前景。但是,传统的刚性电子器件具有硬而脆的特点,难以承受较大的变形,不适合在柔软的非平面上集成。因此,突破传统刚性电子器件的新型电子产品,即柔性电子器件成为研究者关注的焦点。新型的柔性电子器件通过探测压力、温度、湿度来监测物体的状态,主要用于人体信号监测、假肢皮肤、机器人等领域。
目前常见的电子皮肤基于四种机理,包括圧阻机理、电容机理、压电机理、摩擦电机理。其中,基于圧阻机理的传感器由于其制备工艺简单、成本低廉已经得到广泛应用。
基于圧阻效应的电子皮肤制作过程中,涉及到圧阻材料的制备和结构的制作。纳米材料由于具有优异的电学和力学性能,得到广泛的应用,常用的纳米材料有炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电银纳米线。特殊的基底结构有助于获得高灵敏的电子皮肤,具有规则微观结构序列的三维结构,如半球体、金字塔形、圆柱形,已经被用于制造高灵敏度的电子皮肤。
虽然电子皮肤的研究已经取得了许多成果,但是也面临着很多挑战,主要问题包括:1、器件灵敏度不够高、多方向压力测量、线性范围窄。2、制造工艺复杂,难以实现量产。因此,有必要提出一种新的工艺解决上述技术问题。
中国专利CN108139282A公开了关于敏感力传感器的方法和装置,该装置包括具有第一相对电极和第二相对电极的电子力传感器。第一和第二相对电极被配置为产生指示施加到电子力传感器的力的输出。电子力传感器进一步包括布置在第一和第二相对电极之间并具有多个导电-电阻元件的多个可恢复变形结构。每个可恢复变形结构包括可变导体和可变电阻器中的至少一个,并且被配置和布置有设置电子力传感器的力敏感度的属性。但是,该专利中的变形结构为单一的规则结构,这导致在受力变形时,力的分布在器件上是不均匀的,从而造成导致器件的灵敏度在很小的压力范围内变化很大,灵敏度不稳定。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术中器件灵敏度不够高、多方向压力测量、线性范围窄和制造工艺复杂、成本高的难题而提供一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法,可以应用于人体信号监测和人机交互领域。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种高灵敏度电子皮肤,包括:
第一柔性衬底:外表面包裹第一封装层、内表面为具有规则形状或不规则形状的第一基底,该第一基底的表面涂有第一导电层,
第二柔性衬底:外表面包裹第二封装层、内表面为具有不规则形状的第二基底,该第二基底的表面涂有第二导电层,所述第二基底与所述第一基底相对设置,
所述第一柔性衬底及所述第二柔性衬底的内表面均设有电极。
上述第一柔性衬底及第二柔性衬底以及中间设置的具有规则形状或不规则形状的第一基底、具有不规则形状的第二基底结合起来形成一个“三明治”结构,外面包裹一层封装层,固定上下结构,使其良好接触。
优选地,所述规则形状为金字塔形、圆柱形、半球形、圆锥形。
优选地,所述不规则形状为毛玻璃表面形状、制绒硅片表面形状、砂纸表面形状。
优选地,所述第一柔性衬底及所述第二柔性衬底的材质为聚二甲基硅氧烷。
优选地,所述第一导电层及所述第二导电层的材质包括多壁碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯或导电银纳米线。
优选地,所述第一封装层及所述第二封装层的材质包括聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
优选地,所述电极为金属电极,用导电银浆或者焊接的方式连接到导电层。
高灵敏度电子皮肤的制备方法,包括:
规则形状基底制备:
利用光刻技术和/或湿法刻蚀技术得到规则且形状倒置的模板;
配制聚二甲基硅氧烷溶液;
利用铸造法将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板表面,加热固化得到内表面为具有规则形状的第一基底;
不规则形状基底制备:
选用表面结构粗糙的基体作为模板;
配制聚二甲基硅氧烷溶液;
利用铸造法,将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板上,加热固化得到内表面为具有不规则形状的第一基底或第二基底;
混合搅拌制备得到导电层材料溶液;
利用滴铸法在所述第一基底及所述第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层;
在导电层上连接金属导线作为电极,高温固化处理;
将所述第一基底及所述第二基底面对面放置,用键合法封装器件,制备得到高灵敏度电子皮肤。
按质量比10:1-15:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂,配制得到聚二甲基硅氧烷溶液。
优选地,所述表面结构粗糙的基体包括的毛玻璃、制绒硅片或砂纸。
优选地,将导电层材料置于去离子水中,采用超声或磁力搅拌制备得到导电层材料溶液。
优选地,在上下导电层上用导电银浆或电焊方法分别连接金属导线作为电极。
优选地,第一基底及所述第二基底面对面放置,用聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷键合法封装器件。
本申请所提出的是一层为不规则形状、一层为规则形状或不规则形状的“三明治”结构的一种器件,这种结构设计使得器件的工作机理发生变化,尖端结构使得器件在受到微小的力时表现出很高的灵敏度,现有技术中单一的规则结构在受力变形时,力的分布在器件上是不均匀的,这导致器件的灵敏度在很小的压力范围内变化很大,灵敏度不稳定。然而,将均匀的结构和不均匀的结构结合到一起,或者采用两层都是不均匀的结构,由于不均匀结构每个区域的形状不一致,在承受力时,整个器件整体变形,力比较均匀的分散到整个结构上,在比较宽的圧力范围,灵敏度的变化比较稳定。电子皮肤的制造工艺复杂,成本高昂,这导致其应用受限。本申请提出一种新的制造工艺,解决了电子皮肤制造过程中模板的制造成本高昂、难以复用的问题,将滴铸技术应用于电子皮肤的制造工艺中,降低了电子皮肤器件制造的成本。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
一、高灵敏度、宽线性度。制备的电子皮肤采用双层结构,其中一层采用规则结构或者不规则结构、另一层采用不规则结构,减小了上下表面的接触面积,增加了上下表面的接触电阻,提高了压力感应的灵敏度。由于不规则结构受力变形的一致性,压力的变化被基体均匀承受,从而灵敏度的变化表现出比较宽的线性度。现有技术中,一般采用单一的规则形状设计提高电子皮肤的灵敏度,本发明采用两层不规则结构或者一层不规则一层规则结构的双层结构设计,制造出了具有高灵敏度和宽线性度的电子皮肤。
二、制造工艺简单、成本低,可以实现量产。所述工艺所采用的硅模板可以重复使用,不规则结构模板容易购买、价格便宜,而且可以重复使用,相比之前的电子皮肤器件的制造工艺,降低了成本、简化了工艺。在导电层的制备上,采用了简单的滴铸法,很大程度上降低了制造的成本,具有很大的量产前景。现有技术中,比较多的是采用共混体制造电子皮肤,生产成本较高,器件导电性差,给测试和应用带来很大困难。采用滴铸法在柔性基底表面制造一层导电层,在增强导电性的同时,保证了基底表面的结构,器件表现出很高的灵敏度。传统采用光刻和深硅刻蚀所得到的模板,制造成本高、不能多次使用,本发明采用了可以直接购买的毛玻璃等作为模板,简化了工艺,并且模板可以多次复用,降低了制造成本。
附图说明
图1为高灵敏度电子皮肤的结构示意图。
图中,1-第一封装层、2-第一柔性衬底、3-第一导电层、4第二柔性衬底、5- 第二导电层、6-第二封装层、7-电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
高灵敏度电子皮肤的结构如图1所示,包括相对设置的第一柔性衬底2以及第二柔性衬底4。第一柔性衬底2的外表面包裹第一封装层1、内表面为具有规则形状的第一基底,该第一基底的表面涂有第一导电层3,第二柔性衬底4外表面包裹第二封装层6、内表面为具有不规则形状的第二基底,该第二基底的表面涂有第二导电层5。在第一柔性衬底2及第二柔性衬底4的内表面均设有电极7。上述第二基底与第一基底相对设置,从而使第一柔性衬底2及第二柔性衬底4相对设置形成一个“三明治”结构,外面包裹一层封装层,固定上下结构,使其良好接触。
通过结合光刻技术和湿法刻蚀技术与模铸技术制造具有规则金字塔表面的柔性衬底,利用滴铸技术沉积得到导电层,采用模铸技术制造的不规则结构柔性衬底。
本实施例中,基底采用了聚二甲基硅氧烷,保证了器件具有良好的柔性和延展性,并且经过多次使用,表现出很好的韧性。导电层材料采用了多壁碳纳米管,该材料具有优越的电学性能和力学性能,保证了器件优异的机械性能和电学特性。上部基底表面结构是规则的金字塔形,下部表面是不规则的起伏形状,整体结构是一种“三明治”形的结构,减小了上下部分的接触面积,提高了接触表面的接触电阻,使得器件具有很高的灵敏度。由于下表面的不规则起伏在受力时,整个表面整体形变,力的分散比较均匀,所以器件的灵敏度会出现比较大的线性范围。
电子皮肤的制造方法,包括如下步骤:
步骤一,通过光刻技术和湿法刻蚀技术制造倒金字塔硅模板。先设计好方块阵列版图,然后制造光刻掩模。在硅片表面生长氮化硅作为保护层,然后在氮化硅上面涂光刻胶进行光刻,再显影。接着,用反应离子刻蚀工艺刻蚀图形区域的氮化硅。用湿法刻蚀法刻蚀硅片,得到倒金字塔硅模板。最后用丙酮去除模板表面光刻胶,清洗干净。
步骤二,按质量比10:1-15:1的配制聚二甲基硅氧烷、固化剂,在磁力搅拌器上搅拌均匀后,抽真空,完全去除气泡。
步骤三,把制备好的聚二甲基硅氧烷溶液倾倒在模板表面,静置,待其自然流平。加热固化后,剥离薄膜,获得金字塔结构基底。
步骤四,用乙醇溶液清洗购买的毛玻璃,重复步骤三,得到不规则表面基底。
步骤五,将多壁碳纳米管,加入去离子水中,在超声波清洗机中超声,分散多壁碳纳米管。
步骤六,用注射器吸取制得的碳纳米管分散液,把碳纳米管分散液滴到薄膜表面,加热固化,得到多壁碳纳米管均匀分散在表面的薄膜。
步骤七,用导电银浆分别在两片薄膜的一端粘上铜导线。
步骤八,将两片薄膜面对面放置,用聚酰亚胺封装器件,得到电子皮肤传感器。
对于本实例的一种产品做了测试,该器件承受压力在0.28-1kPa范围,其灵敏度达到190.4kPa-1-64.2kPa-1;1-5kPa灵敏度为62-11.5kPa-1;5-50kPa灵敏度为 11.5-1.5kPa-1,性能上优于文献中报道的一些工作。最低探测压力可以达到32Pa,响应时间为8ms,回复时间为8ms,经过3000次循环载荷后,表现出很好的稳定性和优异的韧性。该器件不但可以探测施压、扭转、弯曲等不同动作,而且还可以用来测量人体脉搏、呼吸等生理信号。
实施例2
一种高灵敏度电子皮肤,包括:
第一柔性衬底:外表面包裹材质为聚酰亚胺的第一封装层、内表面为呈圆柱形规则形状,材质为聚二甲基硅氧烷的第一基底,该第一基底的表面涂有材质为多壁碳纳米管的第一导电层;
第二柔性衬底:外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第二封装层、内表面为具有不规则形状,例如呈毛玻璃表面形状的材质为聚二甲基硅氧烷的第二基底,该第二基底的表面涂有材质为石墨烯的第二导电层;
第二基底与第一基底相对设置。这样第一柔性衬底及第二柔性衬底以及中间设置的具有规则形状的第一基底、具有不规则形状的第二基底结合起来形成一个“三明治”结构,外面包裹一层封装层,固定上下结构,使其良好接触。
在第一柔性衬底及第二柔性衬底的内表面均设有金属电极,采用导电银浆连接到导电层。
高灵敏度电子皮肤的制备方法,包括:
规则形状基底制备:
利用光刻技术得到规则圆柱状且形状倒置的模板;
按质量比15:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂,配制得到聚二甲基硅氧烷溶液;
利用铸造法将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板表面,加热固化得到内表面为具有规则形状的第一基底;
不规则形状基底制备:
选用表面结构粗糙的基体作为模板;
按质量比10:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂,配制得到聚二甲基硅氧烷溶液;
利用铸造法,将聚二甲基硅氧烷溶液倒在毛玻璃上,加热固化得到内表面为具有不规则形状的第二基底;
将导电层材料置于去离子水中,采用超声搅拌制备得到导电层材料溶液;
利用滴铸法在第一基底及第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层;
在导电层上用导电银浆连接金属导线作为电极,高温固化处理;
将第一基底及第二基底面对面放置,用聚酰亚胺键合法封装器件,制备得到高灵敏度电子皮肤。
实施例3
一种高灵敏度电子皮肤,包括:
第一柔性衬底:外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第一封装层、内表面为呈半球形规则形状,材质为聚二甲基硅氧烷的第一基底,该第一基底的表面涂有材质为还原氧化石墨烯的第一导电层;
第二柔性衬底:外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第二封装层、内表面为具有不规则形状,例如呈制绒硅片表面形状的材质为聚二甲基硅氧烷的第二基底,该第二基底的表面涂有材质为还原氧化石墨烯的第二导电层;
第二基底与第一基底相对设置。这样第一柔性衬底及第二柔性衬底以及中间设置的具有规则形状的第一基底、具有不规则形状的第二基底结合起来形成一个“三明治”结构,外面包裹一层封装层,固定上下结构,使其良好接触。
在第一柔性衬底及第二柔性衬底的内表面均设有金属电极,采用焊接的连接到导电层。
高灵敏度电子皮肤的制备方法,包括:
规则形状基底制备:
利用光刻技术得到规则的半球形且倒置的模板;
按质量比10:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂,配制得到聚二甲基硅氧烷溶液;
利用铸造法将聚二甲基硅氧烷溶液倒在毛玻璃表面,加热固化得到内表面为具有规则形状的第一基底;
不规则形状基底制备:
选用表面结构粗糙的基体作为模板;
按质量比12:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂,配制得到聚二甲基硅氧烷溶液;
利用铸造法,将聚二甲基硅氧烷溶液倒在制绒硅片上,加热固化得到内表面为具有不规则形状的第二基底;
将导电层材料置于去离子水中,采用超声搅拌制备得到导电层材料溶液;
利用滴铸法在第一基底及第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层;
在导电层上用导电银浆连接金属导线作为电极,高温固化处理;
将第一基底及第二基底面对面放置,用聚二甲基硅氧烷键合法封装器件,制备得到高灵敏度电子皮肤。
实施例4
一种高灵敏度电子皮肤,包括:
第一柔性衬底:外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第一封装层、内表面为呈圆锥形规则形状,材质为聚二甲基硅氧烷的第一基底,该第一基底的表面涂有材质为导电银纳米线的第一导电层;
第二柔性衬底:外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第二封装层、内表面为具有不规则形状,例如呈砂纸表面形状的材质为聚二甲基硅氧烷的第二基底,该第二基底的表面涂有材质为导电银纳米线的第二导电层;
第二基底与第一基底相对设置。这样第一柔性衬底及第二柔性衬底以及中间设置的具有规则形状的第一基底、具有不规则形状的第二基底结合起来形成一个“三明治”结构,外面包裹一层封装层,固定上下结构,使其良好接触。
在第一柔性衬底及第二柔性衬底的内表面均设有金属电极,采用焊接的连接到导电层。
高灵敏度电子皮肤的制备方法,包括:
规则形状基底制备:
利用光刻技术得到规则的倒置圆锥形的模板;
按质量比15:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂,配制得到聚二甲基硅氧烷溶液;
利用铸造法将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板表面,加热固化得到内表面为具有规则形状的第一基底;
不规则形状基底制备:
选用表面结构粗糙的基体作为模板;
按质量比15:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂,配制得到聚二甲基硅氧烷溶液;
利用铸造法,将聚二甲基硅氧烷溶液倒在砂纸上,加热固化得到内表面为具有不规则形状的第二基底;
将导电层材料置于去离子水中,采用超声搅拌制备得到导电层材料溶液;
利用滴铸法在第一基底及第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层;
在导电层上用导电银浆连接金属导线作为电极,高温固化处理;
将第一基底及第二基底面对面放置,用聚二甲基硅氧烷键合法封装器件,制备得到高灵敏度电子皮肤。
实施例5
一种高灵敏度电子皮肤,包括:
第一柔性衬底:外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第一封装层、内表面为呈制绒硅片表面不规则形状,材质为聚二甲基硅氧烷的第一基底,该第一基底的表面涂有材质为导电银纳米线的第一导电层;
第二柔性衬底:外表面包裹材质为聚二甲基硅氧烷的第二封装层、内表面为具有不规则形状,例如呈砂纸表面形状的材质为聚二甲基硅氧烷的第二基底,该第二基底的表面涂有材质为导电银纳米线的第二导电层;
第二基底与第一基底相对设置。这样第一柔性衬底及第二柔性衬底以及中间设置的具有不规则形状的第一基底、具有不规则形状的第二基底结合起来形成一个“三明治”结构,外面包裹一层封装层,固定上下结构,使其良好接触。
在第一柔性衬底及第二柔性衬底的内表面均设有金属电极,采用焊接的连接到导电层。
高灵敏度电子皮肤的制备方法,包括:
不规则形状基底制备:
选用表面结构粗糙的基体作为模板;
按质量比15:1混合聚二甲基硅氧烷、固化剂,配制得到聚二甲基硅氧烷溶液;
利用铸造法,将聚二甲基硅氧烷溶液倒在砂纸上,加热固化得到内表面为具有不规则形状的第一基底和第二基底;
将导电层材料置于去离子水中,采用超声搅拌制备得到导电层材料溶液;
利用滴铸法在第一基底及第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层;
在导电层上用导电银浆连接金属导线作为电极,高温固化处理;
将第一基底及第二基底面对面放置,用聚二甲基硅氧烷键合法封装器件,制备得到高灵敏度电子皮肤。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语、“上方”、“底部”、“平行”、“中间”等指示方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位,以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高灵敏度电子皮肤,其特征在于,包括:
第一柔性衬底:外表面包裹第一封装层、内表面为具有规则形状或不规则形状的第一基底,该第一基底的表面涂有第一导电层,
第二柔性衬底:外表面包裹第二封装层、内表面为具有不规则形状的第二基底,该第二基底的表面涂有第二导电层,所述第二基底与所述第一基底相对设置,
所述第一柔性衬底及所述第二柔性衬底的内表面均设有电极。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤,其特征在于,柔性衬底以及柔性衬底内的具有规则形状或不规则形状的第一基底、具有不规则形状的第二基底结合起来形成类三明治结构的电子皮肤。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤,其特征在于,所述规则形状为金字塔形、圆柱形、半球形或圆锥形。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤,其特征在于,所述第一柔性衬底及所述第二柔性衬底的材质为聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤,其特征在于,所述第一导电层及所述第二导电层的材质包括多壁碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯或导电银纳米线。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电子皮肤,其特征在于,所述第一封装层及所述第二封装层的材质包括聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
7.如权利要求1所述的高灵敏度电子皮肤的制备方法,其特征在于,该方法包括:
规则形状基底制备:
利用光刻技术和/或湿法刻蚀技术得到规则且形状倒置的模板;
配制聚二甲基硅氧烷溶液;
利用铸造法将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板表面,加热固化得到内表面为具有规则形状的第一基底;
不规则形状基底制备:
选用表面结构粗糙的基体作为模板;
配制聚二甲基硅氧烷溶液;
利用铸造法,将聚二甲基硅氧烷溶液倒在模板上,加热固化得到内表面为具有不规则形状的第一基底或第二基底;
混合搅拌制备得到导电层材料溶液;
利用滴铸法在所述第一基底及所述第二基底的内表面制造第一导电层及第二导电层;
在导电层上连接金属导线作为电极,高温固化处理;
将所述第一基底及所述第二基底面对面放置,用键合法封装器件,制备得到高灵敏度电子皮肤。
8.根据权利要求7所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法,其特征在于,按质量比为10:1-15:1混合聚二甲基硅氧烷及固化剂,配制得到聚二甲基硅氧烷溶液。
9.根据权利要求7所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法,其特征在于,所述表面结构粗糙的基体包括毛玻璃、制绒硅片或砂纸。
10.根据权利要求7所述的一种高灵敏度电子皮肤的制备方法,其特征在于,将导电层材料置于去离子水中,采用超声或磁力搅拌制备得到导电层材料溶液。
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