一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法技术

一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法，属于柔性生物材料及电容式触觉传感器技术领域。依次由下柔性衬底、下透明电极、100～300μm厚的壳聚糖薄膜介电层、上透明电极和上柔性衬底组成。本发明专利技术所述器件为全透明柔性电容式触觉传感器，器件在受到微弱的力而发生微小形变的时候能够在材料内部产生较大的结构形变，进而输出相应的电容信号变化，从而降低器件的检测极限，有利于作为可穿戴触控装置监测微弱的信号变化，且易于集成n×m的传感器阵列。本发明专利技术采用生物材料作为介电层制作柔性电容式触觉传感器，有效的提升了器件的生物兼容性、环境友好性及光学透过性，更有利于应用在可穿戴电子领域。

A flexible capacitive tactile sensor based on biomaterial chitosan film and its preparation method

A flexible capacitive tactile sensor based on chitosan film and its preparation method belong to the technical field of flexible biomaterials and capacitive tactile sensors. It consists of a lower flexible substrate, a lower transparent electrode, a 100-300 micron thick dielectric layer of chitosan film, an upper transparent electrode and an upper flexible substrate. The device is a fully transparent flexible capacitive tactile sensor. When the device undergoes a small deformation due to a weak force, it can produce a large structural deformation in the material and output corresponding capacitive signal changes, thereby reducing the detection limit of the device and facilitating the monitoring of micro as a wearable touch device. Weak signal changes, and it is easy to integrate n * m sensor array. The invention adopts biological material as dielectric layer to make flexible capacitive tactile sensor, which effectively improves the biocompatibility, environmental friendliness and optical transmittance of the device, and is more advantageous to be applied in wearable electronic field.

【技术实现步骤摘要】
一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法
本专利技术属于柔性生物材料及电容式触觉传感器
，具体涉及一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法。
技术介绍
随着智能终端的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。传感器作为核心部件之一，将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点，使其成为最受关注的电学传感器之一。触觉传感器在人体健康监测及人工智能机器人领域发挥着至关重要的作用。近年来，人们已经在可穿戴可植入传感器领域取得了显著进步，例如利用电子皮肤向大脑传递皮肤触觉信息，利用三维微电极实现大脑皮层控制假肢，利用人工耳蜗恢复病人听力等。一个理想的柔性触觉传感器，除了性能优异、制备简单和成本低廉等要求外，还需具备生物兼容性及环境友好等特点。根据信号转换原理，触觉传感器主要分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器。其中电容式传感器是将被测参数变换为电容量的测量装置，具有测量范围大、灵敏度高、动态响应时间短、功耗低等优点。对于电容式压力传感器，专利号为CN1961204A的专利公开了一种小型化、可靠性良好的电容式压力传感器的设计。专利号为CN103728061A的专利克服了电容容值变化难以采集的问题，测量的压力值精准稳定。然而，上述专利其硬性衬底均不适用于应用在可穿戴电子系统中。而随着社会的发展，可穿戴式电子系统的需求必将会越来越大。因此迫切需要专利技术一种柔性电容式压力传感器应用在触觉传感领域。中科院化学所狄重安等人(NatureCommunication2015,6,6269)制造了以纯空气作为介电层的柔性压力传感器，灵敏度达到空前的192kPa-1。此外，制备好的器件还显示出10ms的短响应时间和0.5Pa的检测下限压力。然而，空气的低介电常数可导致小的电容值和差的抗干扰能力。这些柔性电容式压力传感器虽然具有工艺简单、成本低、小尺寸等优点，但也存在着生物兼容性差、迟滞大等缺点。为此，需要专利技术出一种既具有柔性、高灵敏、快响应、稳定好等特性，同时能够具有良好生物兼容性可与皮肤完美接触随身穿戴的柔性电容式触觉传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的是制备一种更快响应速度、更高灵敏度、生物兼容性好的基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法，该器件利用生物材料壳聚糖作为传感器的介电材料，利用衬底和电极的透明特性制作成了柔性透明生物兼容的电容式触觉传感器。制备所述的柔性透明生物兼容的电容式触觉传感器的方法，利用表面沉积法在柔性衬底表面沉积一层透明电极，将生物材料壳聚糖旋涂在电极表面作为传感器介电层，在介电层表面沉积一层透明的电极并覆盖柔性衬底形成柔性透明的触觉传感器，如图1所示，通过感知外界微弱压力的变化表现为自身的电容的变化，进而应用于可穿戴电子领域。为了实现上述目的，本专利技术设计了一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，由下至上依次由下柔性衬底、下透明电极、介电层、上透明电极和上柔性衬底组成，下透明电极和上透明电极由导线引出；其特征在于：介电层为生物材料壳聚糖薄膜，其厚度范围为100～300μm。本专利技术所述的一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器的制备方法，其步骤如下：(1)将厚度40～80μm的柔性材料(聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲酸乙二醇酯(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨基甲酸酯(PU)等)分别用丙酮、乙醇、水依次超声清洗柔性衬底表面10～20分钟，烘干得到柔性薄膜；(2)制备壳聚糖溶液：将1.0～2.5g壳聚糖溶于100mL水中，随后滴加1.0～2.5g的冰醋酸，在600～1000rpm转数下搅拌5～12小时，然后用直径为10～22μm的过滤针筒过滤，得到纯的壳聚糖溶液；(3)以步骤(1)得到的柔性薄膜作为下柔性衬底，在其表面上通过表面沉积法沉积得到一层氧化铟锡(ITO)透明电极，作为下透明电极层，其厚度为30～50nm；(4)将步骤(2)得到的壳聚糖溶液在1000～1500rpm的速度下旋涂在步骤(3)得到的下透明电极层上，室温条件下干燥得到厚度为100～300μm的壳聚糖薄膜介电层；(5)在步骤(4)得到的壳聚糖薄膜介电层表面再通过表面沉积法沉积得到一层氧化铟锡(ITO)透明电极，作为上透明电极层，其厚度为30～50nm；(6)将下透明电极层和上透明电极层由导线引出；(7)在步骤(5)得到的上透明电极层的表面上覆盖上另一片由步骤(1)制备得到的柔性薄膜，作为上柔性衬底，从而得到本专利技术所述的基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性透明电容式触觉传感器。其中，上述步骤(2)中所述的透明生物材料为壳聚糖。壳聚糖溶液是通过壳聚糖与冰醋酸混合在溶液中搅拌制备而成。将壳聚糖溶液用10～22μm的过滤针筒过滤，之后滴加在氧化铟锡/聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO/PET)柔性衬底上旋转涂覆，最后将另外一层氧化铟锡/聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO/PET)柔性衬底覆盖在壳聚糖薄膜上用来封装器件，进而组装成柔性电容式触觉传感器。本专利技术所述器件利用生物材料壳聚糖薄膜作为介电材料，透明电极氧化铟锡(ITO)作为上下电极层，透明塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为柔性衬底，使得器件为全透明柔性电容式触觉传感器，同时器件在受到微弱的力而发生微小形变的时候也能够在材料内部变现为产生较大的结构形变，进而输出相应的电容信号变化，从而降低器件的检测极限，有利于作为可穿戴触控装置监测微弱的信号变化，同时，所制备柔性器件易于集成n×m的传感器阵列。上述柔性衬底可为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、二甲酸乙二醇酯(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨基甲酸酯(PU)等透明塑料衬底，透明电极可替换为石墨烯、银纳米线透明电极等，均可以通过表面沉积法制备在柔性衬底表面。本专利技术与现有技术相比具有以下特点和优点：(1)介电材料的制备方法简单环保且成本低，整个制备过程均在常温下进行；(2)生物材料具有很好的生物兼容性，具有很好的可降解性，有利于应用在可穿戴电子领域；(3)本专利技术制备的壳聚糖薄膜可根据需要对其厚度随意进行控制；(4)器件的制作流程易于操作，具有好的生物兼容特性，并能够随时转移到需要组装的器件衬底上，可根据需要任意制作n×m的传感器阵列，进一步制作成可穿戴触控装置。附图说明：图1：本专利技术所述的柔性电容式触觉传感器结构示意图；各部分名称为：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)下柔性衬底1，采用表面沉积法在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)下柔性衬底1表面沉积的50nm厚的氧化铟锡(ITO)下透明电极层2，在氧化铟锡(ITO)下透明电极层2上旋涂一层壳聚糖薄膜3介电层，在壳聚糖薄膜3上再采用表面沉积法沉积的50nm厚的氧化铟锡(ITO)上透明电极层4，在氧化铟锡(ITO)上透明电极层4上表面覆盖的PET上柔性衬底5。图2：本专利技术实施例1制备的壳聚糖薄膜的光学图片；图3：本专利技术实施例1制备的柔性电容式触觉传感器的光学图片；图4：本专利技术实施例1制备的电容式传感器电容变化与压强变化关系曲线；图5：本专利技术实施例2制备的电容式传感器电容变化与压强变化关系曲线。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，由下至上依次由下柔性衬底、下透明电极、介电层、上透明电极和上柔性衬底组成，下透明电极和上透明电极由导线引出；其特征在于：介电层为生物材料壳聚糖薄膜，其厚度范围为100～300μm。

【技术特征摘要】
1.一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，由下至上依次由下柔性衬底、下透明电极、介电层、上透明电极和上柔性衬底组成，下透明电极和上透明电极由导线引出；其特征在于：介电层为生物材料壳聚糖薄膜，其厚度范围为100～300μm。2.如权利要求1所述的一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，其特征在于：柔性衬底的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚氨基甲酸酯。3.如权利要求1所述的一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，其特征在于：透明电极的材料为氧化铟锡。4.如权利要求1所述的一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，其特征在于：下柔性衬底和上柔性衬底的厚度为40～80μm，下透明电极层和上透明电极层的厚度为30～50nm，介电层的厚度为100～300μm。5.权利要求1～4任何一项所述的一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器的制备方法，其步骤如下：(1)将柔性材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽丽，王康，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22