一种具有凹坑结构的压阻式电子皮肤及其制备方法技术

本发明专利技术属于传感器领域，特别是涉及一种电子皮肤及其制备方法。本发明专利技术提供一种压阻式电子皮肤，包括传感层，所述传感层是将两片具有凹坑结构的弹性体薄膜按照有凹坑结构的侧面相向对叠组装而成。本发明专利技术所提供的电子皮肤的传感层具有独特的对叠凹坑微结构，这种微结构能够提升该电子皮肤的灵敏度，同时该电子皮肤具有优异的稳定性，并能检测出诸多信号(如声音信号、滑动信号等)，检测人体运动情况以及生理信号等，具备运用于人体健康管理的潜质。

【技术实现步骤摘要】
一种具有凹坑结构的压阻式电子皮肤及其制备方法
本专利技术属于传感器领域，特别是涉及一种电子皮肤及其制备方法。
技术介绍
近年来，集成了各类传感器和信号收集系统的可穿戴电子设备作为移动智能终端迅速兴起，促进了家居、医疗卫生和工业领域生产的智能化发展。电子皮肤作为可穿戴设备的一种，具有良好的适应性，灵敏度高，体积小，质量轻，能耗低等特性，能够模仿人体皮肤的某种或某些感应功能并被运用于生物监测传感和人机交互上。目前的电子皮肤通常能够监测人体的运动状态及健康状态，如感应人体不同部位的不同动作，监测人体呼吸心跳脉搏等人体健康生理指标，有的甚至能监测人体体表温度与电解质成分，达到对人体健康进行监控的目的。目前，针对能够覆盖复杂三维静动态表面完成接触压力测量的柔弹性电子皮肤的研究主要以电子皮肤接触面的柔弹性传感器阵列结构的构筑为主，例如：1.在硅橡胶弹性体上利用模板法制备微米级波形和金字塔形的阵列，再将两片硅橡胶弹性体带有这种金字塔结构的一面对叠组装成电子皮肤，如ACSnano,2014,8(5):4689-4697及公开专利CN201310507497.1；2.在导电弹性的基板上喷印、3D打印、或者化学气相法沉积出氧化物薄膜晶体管、压力传感器阵列等,如公开专利CN201410770984.1及AdvancedMaterials,2016,28,2556–2562。然而这些方法存在以下缺陷：具有敷贴性及可穿戴的电子皮肤需要使用具备一定的形变能力柔性的基板以适应人体的运动等变化，但是电极层和沉积刻蚀的无机物传感层柔弹性较差，降低了电子皮肤整体的柔韧性，限制了其性能及使用领域；而对于具有柔弹性电极与传感层的电子皮肤，其柔弹性的传感阵列一般采用溶液模板法制备，成本高昂，环境不友好，生产周期长，产率低，无法实现连续大规模工业化生产。因此采用简便易行的传统聚合物加工方法来批量化制备带有柔性传感阵列结构的电子皮肤有望为电子皮肤的工业化生产提供一种极具价值的指导性思路。
技术实现思路
本专利技术针对上述缺陷，本专利技术提供一种电子皮肤器件及其制备方法，利用该方法制得的电子皮肤器件具有凹坑微结构，进而使得该电子皮肤器件的柔弹性较好、灵敏度较高；能够用于多种信号的检测以及人体运动生理信号的监测。本专利技术的技术方案：本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种压阻式电子皮肤，包括传感层、导电层、支撑层和封装层，所述传感层是将两片具有凹坑结构的弹性体薄膜按照有凹坑结构的侧面相向对叠组装而成；其中，所述具有凹坑结构的弹性体薄膜采用下述方法制备得到：1)先采用多熔体多次注射成型法制备得到皮层为具有导电网络结构的聚合物弹性体/导电填料共混物，芯层为聚合物1/无机填料共混物的薄板形多熔体多次注射成型制品；聚合物弹性体与聚合物1不相容，聚合物1与无机填料不相容，使得多熔体多次注射成型过程中皮层和芯层界面处分布有无机填料；2)再将聚合物弹性体/导电填料共混物皮层从制品上剥离下来，由于无机填料在剥离下的皮层薄膜的剥离面上留下凹坑结构，进而得到表面具有凹坑结构的皮层弹性体薄膜。进一步，所述电子皮肤中，皮层弹性体薄膜的剥离面具有均匀分布的凹坑结构，凹坑尺寸可通过多熔体多次注射成型制备过程中芯层无机填料的直径进行调整，凹坑的分布密度可通过芯层无机填料的含量进行调整。进一步，所述电子皮肤中，40μm≤具有凹坑结构的弹性体薄膜的厚度≤100μm；具有弹性体薄膜即皮层薄膜的厚度不高于100μm是为了保证电子皮肤的高灵敏度，皮层薄膜的厚度不低于40μm则是为了保证电子皮肤的使用强度及易剥离性。进一步，所述具有凹坑结构的弹性体薄膜的制备方法中，所述芯层聚合物1/无机填料共混物的熔体流动速率大于但不得远大于所述皮层聚合物弹性体/导电填料共混物的熔体流动速率，且为使注射流动稳定，所述芯层聚合物1/无机填料共混物的熔体流动速率不低于0.1g/10min(190℃/2.16Kg，ASTMD1238)。在采用多熔体多次注射成型法(M3IM)成型该电子皮肤传导层中的皮层薄膜时，因为熔体流动速率越大，聚合物(共混物)熔体的粘度越小，想要得到厚度在40～100μm左右的皮层，则需要芯皮粘度比较小才行，也就是要求芯层共混物的流动指数较大，皮层共混物的流动指数较小，最终得到的皮层厚度较薄，但不会太薄。进一步，所述薄板形多熔体多次注射成型制品采用下述方法制得：将聚合物弹性体/导电填料共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的一次注射成型射台中，将聚合物1/无机填料共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的二次辅助注射成型射台的料斗中进行塑化；先经过一次注射成型射台将聚合物弹性体/导电填料共混物熔体短射进入薄板状型腔中，经过0.5～1秒的延迟时间后再通过二次辅助注射成型射台将聚合物1/无机填料共混物熔体注射进入型腔并穿透一次注射的聚合物弹性体/导电填料共混物并推动其填满整个型腔，最后冷却、保压、脱模，获得皮层为聚合物弹性体/导电填料共混物芯层为聚合物1/无机填料共混物的多熔体多次注射成型制件(M3IM制件)。进一步，所述多熔体多次注射成型的工艺参数设置为：一次注射成型射台塑化温度为180～200℃，短射量为50vol.％，一次熔体注射速度为15～56.7ccm/s，一次熔体注射压力为1000～2275bar；二次辅助注射成型射台塑化温度为180～220℃，二次熔体注射速度为38.4ccm/s，二次熔体注射压力为2299bar，冷却保压时间为120～300s，模具温度为25～80℃。进一步，所述聚合物弹性体为低结晶度烯烃类弹性体；更进一步，所述聚合物弹性体选自聚乙烯-1-辛烯嵌段共聚物(ethylene-α-octeneblockcopolymer,OBC)，三元乙丙橡胶(EthylenePropyleneDieneMonomer,EPDM)或热塑性聚氨酯(thermalplasticpolyurethane,TPU)等热塑性弹性体。进一步，所述导电填料选自碳纳米管、碳纳米纤维(carbonnanofiber,CNF)、银纳米线(silvernanowire,AgNW)、石墨烯纳米微片(graphenenanoplatelets,GNPs)或石墨烯(graphene)等二维或三维导电填料。进一步，所述聚合物1选自聚乙烯、聚丙烯等半结晶烯烃聚合物。进一步，所述导电填料优选为碳纳米管(CNT)，其直径为5～10nm，长度为1～2μm，真实密度2g/cm3左右，电导率为500～1000S/cm。进一步，所述无机填料选自二氧化硅、无机玻璃微珠或碳酸钙球形微珠等；并且所述无机填料的表面为疏水性的。之所以要求无机填料表面是疏水性，是因为亲水性会导致无机填料与基体的相容性改变，影响到无机填料的迁移。更进一步，所述无机填料的直径在10μm～100μm，真实密度1～2g/cm3。本专利技术之所以限定无机填料的直径在10～100μm范围之内，因为尺寸太小会导致在传感层上复刻出的凹坑尺寸太小，太大则会导致在传感层上复刻出的凹坑尺寸太大；凹坑尺寸太大或太小都会降低传感层的灵敏度；另外无机粒子的密度不宜太大，否则会使共混材料的密度及粘度陡增，增加注射穿透时的难度。真实密度指的是材料在绝对密实状态下的体积内固体物质的实际体积，不包括内部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压阻式电子皮肤，包括传感层、导电层、支撑层和封装层，其特征在于，所述传感层是将两片具有凹坑结构的弹性体薄膜按照有凹坑结构的侧面相向对叠组装而成；其中，所述具有凹坑结构的弹性体薄膜采用下述方法制备得到：1)先采用多熔体多次注射成型法制备得到皮层为具有导电网络结构的聚合物弹性体/导电填料共混物，芯层为聚合物1/无机填料共混物的薄板形多熔体多次注射成型制品；聚合物弹性体与聚合物1不相容，聚合物1与无机填料不相容，使得多熔体多次注射成型过程中皮层和芯层界面处分布有无机填料；2)再将聚合物弹性体/导电填料共混物皮层从制品上剥离下来，由于无机填料在剥离下的皮层薄膜的剥离面上留下凹坑结构，进而得到表面具有凹坑结构的皮层弹性体薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种压阻式电子皮肤，包括传感层、导电层、支撑层和封装层，其特征在于，所述传感层是将两片具有凹坑结构的弹性体薄膜按照有凹坑结构的侧面相向对叠组装而成；其中，所述具有凹坑结构的弹性体薄膜采用下述方法制备得到：1)先采用多熔体多次注射成型法制备得到皮层为具有导电网络结构的聚合物弹性体/导电填料共混物，芯层为聚合物1/无机填料共混物的薄板形多熔体多次注射成型制品；聚合物弹性体与聚合物1不相容，聚合物1与无机填料不相容，使得多熔体多次注射成型过程中皮层和芯层界面处分布有无机填料；2)再将聚合物弹性体/导电填料共混物皮层从制品上剥离下来，由于无机填料在剥离下的皮层薄膜的剥离面上留下凹坑结构，进而得到表面具有凹坑结构的皮层弹性体薄膜。2.根据权利要求1所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，40μm≤具有凹坑结构的弹性体薄膜的厚度≤100μm。3.根据权利要求1或2所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，所述皮层弹性体薄膜的剥离面具有均匀分布的凹坑结构，凹坑的尺寸可通过多熔体多次注射成型制备过程中芯层无机填料的直径进行调整，凹坑的分布密度可通过芯层无机填料的含量进行调整。4.根据权利要求1～3任一项所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，所述薄板形多熔体多次注射成型制品采用下述方法制得：将聚合物弹性体/导电填料共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的一次注射成型射台中，将聚合物1/无机填料共混物颗粒添加到多熔体多次注射成型设备的二次辅助注射成型射台的料斗中进行塑化；先经过一次注射成型射台将聚合物弹性体/导电填料共混物熔体短射进入薄板状型腔中，经过0.5～1秒的延迟时间后再通过二次辅助注射成型射台将聚合物1/无机填料共混物熔体注射进入型腔并穿透一次注射的聚合物弹性体/导电填料共混物并推动其填满整个型腔，最后冷却、保压、脱模，获得皮层为聚合物弹性体/导电填料共混物芯层为聚合物1/无机填料共混物的多熔体多次注射成型制件。5.根据权利要求4所述的压阻式电子皮肤，其特征在于，所述多熔体多次注射成型的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘正英，黄炎昊，杨鸣波，郑少笛，杨伟，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51