一种基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备方法技术

一种基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备方法。触觉感知器包括：惰性电极、上电解质、纳米纤维间隔、下电解质、活性电极，从上到下依次固定排列。惰性电极和活性电极皆为通过浸涂法构筑的柔性纳米纤维复合导电材料；电解质为离子导电型材料；纳米纤维加工在两层柔性固态电解质之间产生纳米孔洞和间隔。活性电极与惰性电极可在一定条件下发生氧化还原反应，通过压力调控器件的离子输运性能，并将其编码为两个电极间的氧化还原电位差，从而可以产生稳定，可控的电信号输出。该触觉感知器可在不外加电源的情况下产生静态压力感知性能，具有良好的柔性、灵敏度和稳定性，在可穿戴电子器件、人机交互界面与智能机器人等领域具有重要的应用前景。的应用前景。的应用前景。

A preparation method of self driving tactile sensor based on ion transport

【技术实现步骤摘要】
一种基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备方法


[0001]本专利技术涉及柔性电子器件领域，具体涉及一种基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备方法。

技术介绍

[0002]触觉是智能化设备与智能机器人感知获取外界触觉信息的重要信息来源，同时也是实现机器控制，智能交互的前提，是机器人完成多种复杂任务的基础条件。随着触觉传感器作为核心基础设备的智能技术快速发展，开发具有低功耗，高稳定性、高灵敏度的传感器对于感知外界刺激的人机交互界面、生物医学、智能机器人的发展具有至关重要的意义。然而传统的压力传感机制往往基于电子的传输，其往往避免不了需要功耗高，稳定性差，抗干扰性差等缺点，导致器件布线复杂，长期使用时性能严重衰退进而降低传感精度。因此，触觉感知器需要具备低功耗和长期服役稳定性，以提升其在实际应用过程中的便捷性、适用性与良好的探测性能。
[0003]基于仿生技术重建人体皮肤的结构或功能是触觉感知器发展和优化的一种有效策略。人体触觉感知是通过跨细胞膜的离子传输将物理刺激转换为电信号的过程，通过对感知器材料和结构的设计可以提高感知器件的灵敏度和机械耐久性，然而机械性能较差的材料导致感知器耐用性不足，限制了其应用。开发具有良好力学性能的纳米材料可以用于制造高性能触觉感知器。另外，基于仿生皮肤触觉转导机制开发具有长时间可靠传感能力的材料和器件仍存在巨大挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备方法，受人体机械刺激压敏蛋白的启发，研制了一种基于机械电位转换机制的仿生可控离子通道触觉感知器。器件两端活性不同的电极产生稳定的氧化还原电位差，通过压力刺激调控固态电解质间的离子输运性能，产生稳定，可控的电信号输出。该感知器具有自驱动、低功耗与极高的稳定性，在可穿戴电子器件、人机交互界面与人工智能等领域具有重要的应用前景。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供的技术方案是：
[0006]一种基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备方法，其特征在于，本触觉感知器包括：惰性电极、上电解质、纳米纤维间隔、下电解质、活性电极，由上到下依次固定排列。
[0007]优选的，所述惰性电极和活性电极为可产生电极电位差的柔性导电材料，厚度为50
‑
80μm。
[0008]优选的，所述上、下电解质层为相同的离子导电型柔性电解质材料，厚度为50
‑
100μm。
[0009]优选的，所述抗基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备过程包括：
[0010]步骤一：分别制备纳米纤维材料的均匀分散液、低维惰性导电材料的均匀分散液、低维活性导电材料的均匀分散液、离子导电型柔性电解质材料的均匀分散液；
[0011]步骤二：采用可控静电纺丝的工艺制备柔性高分子材料纳米纤维薄膜，其中，通过浸涂工艺将柔性高分子材料纳米纤维薄膜与低维导电材料的复合，获得柔性良好的惰性电极和活性电极；
[0012]步骤三：利用刮膜机制备厚度可控的柔性电解质薄膜，采用热压工艺将柔性电解质薄膜和低维导电材料进行紧密贴合产生稳定的电极/电解质界面；通过可控静电纺丝工艺在上、下柔性电解质界面加工纺丝纳米纤维间隔层，构筑可控离子输运通道作为压力敏感层；
[0013]步骤四：设计合适的器件形状与尺寸，将惰性电极层、上电解质层、纳米纤维间隔层、下电解质层、活性电极层依次垂直叠层排列后，封装得到触觉感知器件。
[0014]优选的，所述高分子材料包括但不限于聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇等有机高分子材料，分散液溶剂为二甲基甲酰胺、四氢呋喃、丙酮的任一种或两种以上组合，分散液浓度为15％wt
‑
30％wt。
[0015]优选的，所述低维导电材料包括但不限于碳纳米管、石墨烯、MXene、二维层状过渡金属碳化物或碳氮化物、金属纳米线与纳米颗粒，分散溶剂为无水乙醇、去离子水的任意一种，分散液浓度为0.1％wt
‑
3％wt。
[0016]优选的，所述触觉感知器压力敏感性能的调控主要通过设计压力敏感离子输运通道实现，即压力通过改变上、下柔性电解质之间的接触情况或改变离子输运性能。
[0017]优选的，步骤二所述通过静电纺丝工艺制备柔性纤维膜基底和纺丝纤维间隔层，制备工艺参数包括：施加电压为18
‑
20kV，给料量为0.5mL/h，纺丝温度为10～40℃，相对湿度为20～50％，接收装置转速为100
‑
3000rpm。步骤三所述热压工艺温度为40
‑
60℃，加载压力为6
‑
10MPa，加载时间60
‑
80s。
[0018]优选的，所述低维导电材料与柔性电解质材料通过压力加工方式紧密结合，保持稳定的氧化还原反应界面进而保证输出信号的稳定，在受到压力刺激时，仅作为电位差信号的稳定产生界面而非压力敏感层。
[0019]优选的，所述触觉感知器在经过良好封装后，器件两端电极和电解质经过热压工艺紧密贴合，在未受到压力刺激时，上、下电解质之间由纺丝纤维膜隔离，不输出任何信号，受到压力刺激时，上、下电解质通过纺丝纳米纤维孔洞接触，离子输运性能受压力调控，产生电信号输出。
[0020]所述触觉感知器待机无需功耗，工作功耗低至nW级别，在5000次静态力循环下具有极高的稳定性。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0022]1.提出了一种基于电位机械转换机制的离子型触觉感知器，通过对电极/电解质界面进行紧密的机构设计，构建了稳定的氧化还原界面，实现了超稳定的输出电信号，为自驱动柔性触觉感知器的长期应用奠定了基础。
[0023]2.发展了基于仿生技术的触觉感知器压力敏感层的设计及其制备方法。该器件待机无需功耗，工作功耗低至nW级别，拥有高的灵敏度和极高的循环稳定性。
附图说明
[0024]图1为实施例1制备的柔性电极材料的扫描电镜图片；
[0025]图2为实施例2制备的基于离子传输的自驱动触觉感知器分层结构图和实物图；
[0026]图3a为实施例2制备的基于离子传输的自驱动触觉感知器电压、电流响应信号；图3b为实施例2制备的基于离子传输的自驱动触觉感知器在不同纺丝纤维间隔下的传感性能；图3c为实施例2制备的基于离子传输的自驱动触觉感知器的压力响应灵敏度图片。
[0027]图4a为实施例2制备的基于离子传输的自驱动触觉感知器在5000次循环稳定性测试中的信号漂移情况；图4b为实施例2制备的基于离子传输的自驱动触觉感知器5000次静态压力的循环稳定性图片。
[0028]图5a为实施例2制备的基于离子传输的自驱动触觉感知器的响应、回复时间；图5b为实施例2制备的基于离子传输的自驱动触觉感知器静态力响应信号。
[0029]图6为实施例2制备的基于离子传输的自驱动触觉感知器在不同静态压力下的响应。
具体实施方式
[0030]为了使本专利技术的目的、技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备方法，其特征在于，触觉感知器包括：惰性电极、上电解质、纳米纤维间隔、下电解质、活性电极，由上到下依次固定排列。2.根据权利要求1所述的一种基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备方法，其特征在于，所述惰性电极和活性电极为可产生电极电位差的柔性导电材料，厚度为50
‑
80μm。3.根据权利要求1所述的一种基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备方法，其特征在于，所述上、下电解质层为相同的离子导电型柔性电解质材料，厚度为50
‑
100μm。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的一种基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备方法，其特征在于，制备过程包括：步骤一：分别制备纳米纤维材料的均匀分散液、低维惰性导电材料的均匀分散液、低维活性导电材料的均匀分散液、离子导电型柔性电解质材料的均匀分散液；步骤二：采用可控静电纺丝的工艺制备柔性高分子材料纳米纤维薄膜，其中，通过浸涂工艺将柔性高分子材料纳米纤维薄膜与低维导电材料的复合，获得柔性良好的惰性电极和活性电极；步骤三：利用刮膜机制备厚度可控的柔性电解质薄膜，采用热压工艺将柔性电解质薄膜和低维导电材料进行紧密贴合产生稳定的电极/电解质界面；通过可控静电纺丝工艺在上、下柔性电解质界面加工纺丝纳米纤维间隔层，构筑可控离子输运通道作为压力敏感层；步骤四：设计合适的器件形状与尺寸，将惰性电极层、上电解质层、纳米纤维间隔层、下电解质层、活性电极层依次垂直叠层排列后，封装得到触觉感知器件。5.根据权利要求4所述的一种基于离子传输的自驱动触觉感知器的制备方法，其特征在于，所述高分子材料包括但不限于聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇有机高分子材料，分散液溶剂为二甲基甲酰胺、四氢呋喃、丙酮的任一种或两种以上组合，分散液浓度为15％wt
‑
30％wt。6.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃，陈昊璋，廖庆亮，赵璇，徐良旭，高放放，李琪，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：