一种高透气电子皮肤柔性压力温度传感器及其制备方法与流程

1.本发明属于柔性传感器制造技术领域，涉及一种高透气电子皮肤柔性压力温度传感器及其制备方法。


背景技术：

2.电子皮肤柔性传感阵列因其在可穿戴设备中广阔而有趣的应用前景而受到越来越多的研究关注。无创健康监测、实时运动感知等实用功能已通过各种贴合皮肤的贴片或可拉伸电子电路实现。然而，这些可穿戴设备大多采用封闭式结构，易于准备但不利于舒适佩戴。皮肤表面长期堵塞会影响皮肤健康，阻碍分泌物排出，引起毛囊炎或其他皮肤病。长时间实际使用的电子皮肤应该具有良好的透气能力。然而这方面的研究鲜有报道。
3.为了模拟人体皮肤的触觉，电子皮肤需要同时感知温度和压力。由于材料选择相似，温度和压力往往同时影响传感器。研究人员通常采用不同的传感原理，如电容式压力传感器和电阻式温度传感器，通过比较两种传感器的信号来区分温度和压力。但是使用不同的温度和压力输出系统会给电子皮肤信号的采集和处理带来更大的困难。电阻式温度-压力协同传感电子皮肤的研究可以简化数据采集和供能设备，具有重要的现实意义。


技术实现要素：

4.本发明克服了现有技术的不足，提出一种高透气电子皮肤柔性压力温度传感器及其制备方法。该电子皮肤实现了基于电阻信号的温度与压力的同时分别感知，接近人体皮肤的仿生高分辨率触觉感知，以及具有多孔高透气性结构。
5.为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
6.一种高透气电子皮肤柔性压力温度传感器，包括柔性多孔网状结构，以及设置在柔性多孔网状结构上的多个压力传感单元和柔性温度传感器，所述压力传感单元分布于柔性多孔网状结构的网格交叉节点上，多个压力传感单元形成压力传感阵列；所述柔性温度传感器以周期性方波结构设置在压力传感阵列四周。
7.优选的，所述柔性多孔网状结构由交叉90
°
的等间距硅胶线组成。
8.更优的，硅胶线中心距为0.6~1.5mm，柔性多孔网状结构的厚度为1~1.2 mm。
9.更优的，柔性多孔网状结构的孔洞面积≥400 μm
×
400 μm，孔洞密度≥100 cm-2
。
10.优选的，压力传感单元的敏感单元层材料包括聚二甲基硅氧烷、碳纳米管、银纳米线和石墨烯。
11.优选的，压力传感单元为直径30~60 μm的中空孔隙微结构。
12.优选的，柔性温度传感器由银纳米墨水在pet柔性薄膜表面喷墨打印制备。
13.一种压力温度传感器的制备方法，包括以下步骤：a）配制压力传感单元的柔性基底材料和压力敏感材料，用3d打印机打印先打印出柔性多孔网状结构，再在柔性多孔网状结构的网格交叉节点上打印压力传感单元形成压力传感阵列。
14.b）将压力传感阵列加热固化，之后去除压力传感单元上的水溶性微粒牺牲材料，在敏感层中制备出孔隙微结构。
15.c）使用微电子喷墨打印机在30~100 μm pet薄膜上打印制备周期性方波结构的柔性温度传感器。
16.d）将柔性温度传感器贴附于压力传感阵列四周，使用排线引出各传感器电极。
17.优选的，按照质量比为 7:3-9:1将聚二甲基硅氧烷se1700和sylgard 184混合配制可挤出式3d打印的压力传感单元的柔性基底材料。
18.更优的，按照质量比为 12:1:2将聚二甲基硅氧烷se1700、导电纳米材料和水溶性微米颗粒混合配制可挤出式3d打印的压力传感单元的压力敏感材料。
19.本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：本发明仿生高分辨率压力传感阵列中的每个压力传感单元位于柔性多孔网状结构中的交叉节点上，压力传感阵列的空间分辨率达到100 cm-2
，接近人体指尖的触觉分辨率。
20.仿生高分辨率压力传感阵列中的敏感单元层材料使用聚二甲基硅氧烷（pdms）与碳纳米管、银纳米线或石墨烯等导电纳米材料混合，内部使用牺牲模板法制备出直径30~60 μm的中空孔隙微结构以提高压力传感器灵敏度。同时，柔性温度传感器通过图形化设计化解在拉伸下温度传感器表面受到的应力。
21.本发明利用多材料直写式3d打印技术，实现了接近人体皮肤的仿生高分辨率触觉感知，结合微电子喷墨打印的柔性温度传感器，基于电阻信号的温度与压力的同时分别感知。并通过牺牲模板法在压力敏感单元内制备出孔隙微结构提升压力传感灵敏度。通过3d打印的柔性多孔网状主体结构，实现电子皮肤柔性压力温度传感阵列更好的透气性。
附图说明
22.图1为本发明压力温度传感器的结构示意图。
23.图2为压力传感阵列的示意图。
24.图3为柔性温度传感器的示意图。
25.图4为压力传感器敏感层内部孔隙微结构sem表征图：其中，图a为压力传感器截面，图b为压力传感器中的单个孔隙微结构放大图。
26.图5为毛发穿透压力温度传感器的示意图。
27.图6为柔性压力传感器压力-电阻响应测试图。
28.图7为压力传感阵列未受到压力时各单元电阻初始状态图，其中，图左侧为对应的测试实物；图8为压力传感阵列阵列边缘受到压力时各单元电阻变化图，其中，图左侧为对应的测试实物；图9为压力传感阵列阵列中央受到压力时各单元电阻变化图，其中，图左侧为对应的测试实物；图10为实施例柔性温度传感器温度-电阻响应测试图。
29.图中，1柔性多孔网状结构、2为压力传感单元（横线与纵线的交叉节点）、3为柔性温度传感器。
具体实施方式
30.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
31.如图1-5所示，是一种高透气性电子皮肤柔性压力及温度传感器，包括柔性多孔网状结构1，以及设置在柔性多孔网状结构1上的多个压力传感单元2和柔性温度传感器3，压力传感单元2分布于柔性多孔网状结构1的网格交叉节点上，多个压力传感单元2形成压力传感阵列；柔性温度传感器3以周期性方波结构设置在压力传感阵列四周。具体的：柔性多孔网状结构1由3层层间交叉90
°
的等间距打印的硅胶线组成，硅胶线中心距为0.6~1.5 mm，柔性多孔网状结构总厚度约1~1.2 mm。
32.柔性多孔网状结构1中上下贯通的孔洞尺寸不小于400 μm
×
400 μm，大于人体毛孔直径； 孔洞密度不小于100 cm-2
，大于人体四肢表皮毛孔密度。
33.仿生高分辨率的压力传感阵列中的每个压力传感单元2位于柔性多孔网状结构1网格的交叉节点上，压力传感阵列的空间分辨率达到100 cm-2
，接近人体指尖的触觉分辨率。
34.仿生高分辨率压力传感阵列中的敏感单元层材料使用聚二甲基硅氧烷（pdms）与碳纳米管、银纳米线或石墨烯等导电纳米材料混合，内部使用牺牲模板法制备出直径30~60 μm的中空孔隙微结构以提高压力传感器灵敏度。
35.柔性温度传感器3由银纳米墨水在pet柔性薄膜表面喷墨打印制备，通过图形化设计化解在拉伸下温度传感器表面受到的应力。
36.该高透气性电子皮肤柔性压力及温度传感器的制备方法，为以下步骤：第一步，按照两种聚二甲基硅氧烷se1700和sylgard 184质量比为 7:3至9:1的比例，配制可挤出式3d打印的压力传感单元2的柔性基底材料。
37.第二步，按照聚二甲基硅氧烷se1700、导电纳米材料和水溶性微米颗粒质量比为 12:1:2的比例，配置制可挤出式3d打印的压力传感单元2的压力敏感材料。
38.第三步，绘制柔性多孔网状结构的3d打印模型，网孔结构线宽400~600 μm，线中心距距400~600 μm，切片层厚360~400 μm。
39.第四步，将配置好的3d打印柔性基底材料、压力敏感材料和导电银胶分别加入直写式3d打印机内，按照绘制的3d模型打印压力传感阵列。
40.第五步，3d打印的压力传感阵列在干燥箱中加热以固化，固化后的压力传感阵列在去离子水中超声处理去除水溶性微粒牺牲材料，在敏感层中制备出孔隙微结构。
41.第六步，使用微电子喷墨打印机在30~100 μm pet薄膜上打印银墨水制备柔性温度传感器，传感器的图型设计为周期性方波结构以缓解拉伸时受到的应力，传感器宽度为400~600 μm以适配压力传感阵列的线宽。
42.第七步，将柔性温度传感器3贴附于压力传感阵列四周，使用排线引出各传感器电极。
43.如图5所示，本发明通过网孔结构具备高透气性、允许毛发生长，有利于电子皮肤的长期佩戴舒适性。
44.如图6-9所示，本发明以高密度压力传感阵列，实现了对于外力刺激的高分辨率空间感知。
45.如图10所示，同时本发明实现了在10-60 ℃大范围对环境温度的线性响应。
46.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。