[发明专利]一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤及其制备方法

说明书

一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤及其制备方法。所述电子皮肤包括：摩擦起电层、电极层和柔性基底，从上到下依次固定排列；所述摩擦起电层与柔性基底均为可拉伸纳米纤维膜，所述电极为可拉伸纳米纤维导体，与地电极相连接；该电子皮肤内部大量的毛细通道连接成渗透通道，使电子皮肤具备优良的透气性；该电子皮肤基于摩擦静电感应效应，通过外接物体与摩擦层的接触分离产生传感信号，同时，该电子皮肤大的内部阻抗以及在拉伸过程中稳定的开压使其能够独立于机械应变的干扰准确传感法向压力，具有本征应变非敏感特性；该电子皮肤具有高舒适性、高稳定性、自驱动等优点，并且材料体系简单、成本低廉，具有重要的实用前景与商业价值。

技术领域

本发明涉及柔性电子器件领域，具体涉及一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤及其制备方法。

背景技术

皮肤作为人体最大的器官，它不仅具有保护、分泌、呼吸等基本功能，更是人类感知、交互、沟通的重要桥梁。受人体皮肤启发，通过模拟其物理属性与功能，仿生电子皮肤充满弹性与张力，可以附着于物体表面检测并量化多种机械刺激，在智能机器人与假肢、个性化医疗和人工智能等领域展现出了巨大的应用前景。目前，电子皮肤的研制已经取得了显著的进展，如高分辨率、高鲁棒性、生物相容性、多功能性等。但是，人类对于电子皮肤穿戴性与特殊电气性能的需求推动了其进一步发展，特别是未来的电子皮肤需要将高渗透性与抗应变干扰能力考虑其中。

目前，大多数仿生电子皮肤的制备是采用聚合物薄膜作为可拉伸基底与电极材料，其渗透性差，长期佩戴会引起不适，甚至会引发炎症和瘙痒。其次，电子皮肤在机械应变状态下准确传感压力刺激仍然是一个巨大挑战，因为机械应变不可避免地会引起传感单元的几何构型与物理特性的改变，这将引起电子皮肤性能的波动。因此，发展高渗透性应变非敏感型电子皮肤对于其未来实际应用是至关重要的。

发明内容

本发明提供了一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤及其制备方法，基于摩擦静电感应效应，全纤维结构的电子皮肤实现了透气性、应变非敏感性与自供电性的结合，解决了现有的可穿戴电子皮肤舒适性差、机械应变诱导的传感精度低等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤，其特征在于，包括上中下三层纤维膜，分别是摩擦起电层、电极层和柔性基底，从上到下依次固定排列，其中，

所述摩擦起电层与柔性基底均为可拉伸纤维弹性体；

所述电极为可拉伸纤维导体，与地电极或其它导体相连接。

优选的，所述可拉伸纤维弹性体包括聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、天然橡胶、氟橡胶、纤维素中的一种或几种可用于静电纺丝制备纤维的高分子材料，此类材料成本低廉，可扩展性高，适用于通过静电纺丝工艺大面积制备纤维薄膜。

优选的，所述电极层为碳纤维或掺杂碳纳米管、石墨烯、氮化物或碳氮化合物的具有导电功能的复合纤维导体，低维材料与可拉伸纤维弹性体存在较大的尺寸差异，这种尺寸差异有效避免了可拉伸导体制备过程中的模量不匹配问题。

优选的，所述摩擦起电层用纤维弹性体的厚度为10-90μm，纤维弹性体中纤维直径为100-1000nm。

优选的，所述柔性基底用纤维弹性体的厚度为20-60μm，纤维弹性体中纤维直径为100-1000nm。

优选的，所述复合纤维导体的厚度为10-90μm，复合纤维导体中纤维直径为600-1000nm。

优选的，所述电子皮肤为全纤维结构，器件内部的微纳米多孔结构交联互通形成大量的毛细通道，使其具备优良的渗透性，用于人体皮肤与外界环境之间的热湿交换。

优选的，所述电子皮肤的工作原理是基于摩擦静电感应效应，该工作原理使电子皮肤具有较高的内部阻抗，器件在机械应变下的电极电阻变化相较于其较大的内部阻抗可忽略不计。