一种多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法。所述柔性电子皮肤由导电微球相互连接形成，导电微球内部为PDMS微球，PDMS微球表面覆盖导电层形成壳层结构，所述PDMS微球的粒径为6‑40微米，所述壳层厚度为20纳米‑30微米。制备方法为：将PDMS、固化剂、水混合后，加入乳化剂形成乳液，固化后获得PDMS微球；将PDMS、固化剂、导电粉体混合后再与PDMS微球混合，搅拌均匀，形成3D打印的原料墨水；原料墨水通过3D打印机打印成形，制得柔性电子皮肤。本发明专利技术中的导电层为PDMS与导电粉体共同组成，使得导电层与PDMS微球结合更为稳定、牢固；制得的电子皮肤具有灵敏的力学响应能力，电性能稳定。

A flexible electronic skin with multi-signal response and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法
本专利技术属于柔性传感
，具体涉及一种多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法。
技术介绍
随着社会的发展，柔性可穿戴器件已经融入人类生活的方方面面。近年来,柔性电子应变传感器件的发展非常迅速,可以用来检测各种人体生理活动,包括较大幅度的手、胳膊和腿的弯曲移动以及较小幅度的呼吸、吞咽、发声时肌肉震动、血压和眼压等。可穿戴电子传感器以信号传导的形式将生理活动信号转换为可视的电信号,在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、柔性电子皮肤,甚至工业机器人等领域拥有很大的应用潜力。在柔性电子传感众多应用中,研究最为广泛的是电子皮肤。然而人类的皮肤是一个非常敏感的器官,它具有集成化、可伸缩的网络传感功能,能够将外界的温度、湿度和触觉等刺激信号传递到大脑并接收大脑发送的指令做出反馈,使我们能够避开危险或感受环境变化。人们期待将柔性电子传感技术用于可穿戴式电子皮肤，并期望其可以像人的皮肤一样感受外界的温度、压力、形变或纹理等复杂信号,并且通过电子皮肤将外界刺激转化为可传输的电信号来输出甚至传达大脑的命令。中科院合肥智能机械研究所的梅涛等人申请的专利“柔性三维力触觉传感器”，公开号CN1796954A，其结构包括柔性三维力触觉传感器，由起支撑作用的弹性基底、三维力敏感阵列及柔性填充材料、柔性电路板和起保护作用的弹性保护层组成，成为一个结构紧密的三维力传感部件。该触觉传感器加工工艺复杂、缺乏高度柔性，不能满足在可穿戴设备中人机一体化的需求，与人体皮肤的力学性质差异未提及。合肥工业大学的黄英等人申请的专利“基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器”公开号CN101231200A，其结构采用柔性电路板为底板，圆片状的柔性压敏导电橡胶置于柔性电路板上，并与柔性电路板上分布的电极电连接，柔性压敏导电橡胶的顶部受力面上覆传力半球，该传感器整体上具有高度柔性，然而压敏导电橡胶具有高的迟滞特性、线性度差，精度和分辨率有待提高。华东理工大学的高阳等人申请的专利“可穿戴压力传感器及其制造方法”公开号CN108318161A，其结构采用柔性PDMS薄膜为底板，PDMS微球涂覆在PDMS薄膜上，然后将碳纳米管水溶液涂布在表面，干燥后形成导电层，取两部分导电薄膜相对堆叠制备成压力传感器，然而该触觉传感器通过碳纳米管水溶液涂布在PDMS微球表面形成的导电层与微球之间结合力不强、同时难以对PDMS微球形成全面包覆，器件灵敏度有待提高，并且与人体皮肤的力学性质差异未提及。目前，许多研究学者的研究重心主要在电子皮肤对压力信号响应上，而对剪切力的响应研究相对较少，ChunhongMu等研究了利用碳纳米管与氧化石墨烯复合聚二甲基硅氧烷，利用致孔剂合成了多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，不仅可以检测手腕的动作，还可以辨别不同的表面粗糙度。尽管近年来电子皮肤研究取得了长足进展，但仍然存在感应材料的响应灵敏度不足、稳定性和抗干扰能力较差及感应的范围窄等诸多问题，这些限制了其实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种具有准确响应压力、剪切力的多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案如下：一种多信号响应柔性电子皮肤，所述柔性电子皮肤内部为PDMS微球，PDMS微球表面覆盖导电层形成壳层结构，所述PDMS微球的粒径为6-40微米，所述壳层厚度为20纳米-30微米。本专利技术中所述PDMS均指聚二甲基硅氧烷。优选地，所述导电层为PDMS与导电粉体的混合物，所述导电粉体的添加量为皮肤总质量的1.8％-2.4％。优选地，所述导电粉体选自碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、改性氧化石墨烯中的一种或多种。本专利技术还提供了所述的多信号响应柔性电子皮肤的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤1，制备PDMS微球：将PDMS、固化剂、水按照一定比例混合，然后加入乳化剂，混合均匀形成乳液，固化，去离子水冲洗，离心获得PDMS微球；步骤2，制备导电层包覆的PDMS微球墨水：将PDMS、固化剂、导电粉体按照一定比例混合，混合物与前述制备的PDMS微球按照一定比例混合后搅拌均匀，形成3D打印的原料墨水；步骤3，将制备的原料墨水通过3D打印机打印成形，固化，制得柔性电子皮肤。优选地，所述步骤1中PDMS、固化剂、水的质量比例为(8-12)：1：50。进一步优选为10：1：50。优选地，所述步骤1中乳化剂的加入量为4-8wt％，进一步优选为6wt％。优选地，所述步骤1中的乳化剂为羧化壳聚糖。优选地，所述步骤1中固化温度为70-90℃，固化时间为1-3小时；固化温度进一步优选为80℃，固化时间为2小时。优选地，所述步骤2中PDMS、固化剂、导电粉体的质量比例为10:1：(1.1-1.5)。优选地，所述步骤2中混合物与PDMS微球的质量比例为1：(3-5)，进一步优选为1：4。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1，由于对柔性PDMS微球进行导电层包覆处理后，柔性高分子微球表面形成壳层结构，其中壳层为PDMS与导电粉体共同组成的导电层，使得导电层与PDMS微球结合更为稳定、牢固。2，柔性电子皮肤的壳层厚度为20纳米-30微米，壳层结构还有利于减少导电填料的用量；电子皮肤的表面层具有灵敏的力学响应能力和稳定的电性能。3，本专利技术制备方法易于操作和产业化，制得的柔性电子皮肤具有优异的综合性能。附图说明图1是本专利技术中柔性电子皮肤制备方法的示意图。图2是本专利技术实施例1-4得到的柔性电子皮肤的拉伸应力应变曲线图。图3是本专利技术实施例3得到的柔性电子皮肤的表面与截面的扫描电镜(SEM)照片。图4是本专利技术实施例3得到的柔性电子皮肤对压力的响应曲线。图5是本专利技术实施例3得到的柔性电子皮肤对剪切力的响应曲线。图6是本专利技术实施例3得到的柔性电子皮肤的灵敏度曲线。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。实施例1-2PDMS微球的制备：PDMS和固化剂、水按照10：1：50的质量比例混合，然后加入6wt％羧化壳聚糖作为乳化剂，利用离心搅拌机充分均匀混合制备形成乳液。将乳液在80℃的温度下固化2h，随后用去离子水冲洗十次，离心获得PDMS微球。PDMS、固化剂与石墨烯导电粉体按照质量比例10:1：(1.1-1.5)混合，随后与制备的PDMS微球按照质量比1:4比例离心搅拌混合均匀，制备形成3D打印的原料墨水；利用制备的原料墨水通过三维打印机打印成形，随后固化得到柔性电子皮肤。其中实施例1和实施例2中石墨烯导电粉体的添加量分别为皮肤总质量的1.8％、2.4％。参加图1为本专利技术柔性电子皮肤制备方法的示意图。实施例3-4PDMS微球的制备：PDMS和固化剂、水按照10：1：50的质量比例混合，然后加入6wt％羧化壳聚糖作为预乳化剂，利用离心搅拌机充分均匀混合制备形成乳液。将乳液在80℃的温度下固化2h，随后用去离子水冲洗十次，离心获得PDMS微球。PDMS、固化剂和碳纳米管导电粉体按照质量比例10:1：(1.1-1.5)混合，随后与制备的PDMS微球按照质量比1:4比例离心搅拌混合均匀，制备形成3D打印的原料墨水；利用制备的油墨通过三维打印机打印成形，随后固化得到柔性电子皮肤。其中实施例3和实施例4碳纳米管导电粉体的添加量分别为皮肤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多信号响应柔性电子皮肤，其特征在于：所述柔性电子皮肤内部为PDMS微球，PDMS微球表面覆盖导电层形成壳层结构，所述PDMS微球的粒径为6‑40微米，所述壳层厚度为20纳米‑30微米。

【技术特征摘要】
1.一种多信号响应柔性电子皮肤，其特征在于：所述柔性电子皮肤内部为PDMS微球，PDMS微球表面覆盖导电层形成壳层结构，所述PDMS微球的粒径为6-40微米，所述壳层厚度为20纳米-30微米。2.如权利要求1所述的多信号响应柔性电子皮肤，其特征在于：所述导电层为PDMS与导电粉体的混合物，所述导电粉体的添加量为皮肤总质量的1.8％-2.4％。3.如权利要求2所述的多信号响应柔性电子皮肤，其特征在于：所述导电粉体选自碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、改性氧化石墨烯中的一种或多种。4.权利要求1所述的多信号响应柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，制备PDMS微球：将PDMS、固化剂、水按照一定比例混合，然后加入乳化剂，混合均匀形成乳液，固化，去离子水冲洗，离心获得PDMS微球；步骤2，制备导电层包覆的PDMS微球墨水：将PDMS、固化剂、导电粉体按照一定比例混合，混合物与前述制备的PDMS微球按照一定比例混...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥琼，王海航，李久盛，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海,31