[发明专利]一种模拟人工触觉反馈的柔性高透光电子皮肤及应用

说明书

一种模拟人工触觉反馈的柔性高透光电子皮肤及应用，柔性传感器技术领域。利用压电材料作为传感单元，利用电极层将压电材料层收集到的信号传导出去。其特征在于，利用静电纺丝法制备的聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维层薄膜，这种纤维状结构与人体皮肤具有一定相似性。我们通过控制纺丝时间提高纤维薄膜透光率，使薄膜在透光率上与人体皮肤接近。以超柔性PDMS为基底旋涂银纳米线作为电极层。在PVDF层上下覆盖电极层，形成“三明治”结构的电子皮肤，本发明的电子皮肤具有高适应性与高灵敏度，能够实现全弯曲和卷曲，制作简单，使用方便，成本低廉，更好的贴合人体或机械表面；能够对不同的机械力产生不同的响应来充当人体的触觉。

技术领域

本发明属于新型柔性传感器技术领域，具体涉及一种用于真实模拟皮肤感知外界压力的电子皮肤。

技术背景

电子皮肤是通过电学信号的集成与反馈来模拟人体皮肤感受外界刺激的新型电子器件。设计和制造具有与天然皮肤相当的功能和机械性能的电子皮肤一直是研究领域的热点。电子皮肤需要具备良好柔韧性和压敏特性，以给予设备机械灵活性，模拟人工触觉使其能够感知触摸物体时的差异性。

电子皮肤产品中光学透明度以及产品的便携性对于扩大当前柔性电子产品的应用领域非常重要。因此，制备高柔性，无触觉损失，可实现自供电以及透光率上更接近人类皮肤的电子皮肤，有助于扩展电子皮肤应用领域，例如在自供电触摸屏设备、在机器人技术中用于模拟人工触觉、人体运动生理信号的检测、以及在元宇宙等未来的应用场景中实现增强现实等功能。目前基于金属和半导体材料的传统电子皮肤触觉传感器，由于柔韧性和可穿戴性差,已经难以满足实际使用中对拉伸性、便携性的要求。得益于柔性材料、制造工艺和传感技术的快速发展，电子皮肤在性能上更趋于人类皮肤，而目前在光学上接近人体皮肤的电子皮肤研究较少，所以发展具有光学特色的电子皮肤具有一定的应用前景。

发明内容

为了迎合上述应用领域的发展，扩展电子皮肤应用领域(如人体生理运动信号检测等)，在本发明提出了一种高透光自供电电子皮肤的制备方法，利用压电材料的原理实现传感功能。

首先选用聚偏二氟乙烯实现自供电的效果，为了模拟人体皮层下纤维状传感结构，使用静电纺丝法制备PVDF纳米纤维膜。通过控制纺丝时间提高薄膜透光率。为了保证整个器件的柔韧性，以PDMS为基底制备银纳米线电极。最终形成具备一定透光率的自供电电子皮肤。需要保证器件与人体皮肤的相容性，且器件对人体触觉损失影响小，确保传感的准确性和人体穿戴的舒适性，并最终实现电子皮肤在人体动作信号上的检测。

一种模拟人工触觉反馈的柔性高透光电子皮肤，其特征在于，主体为三明治结构，中心层为静电纺丝得到的PVDF纳米纤维膜，静电纺丝得到的PVDF纳米纤维膜的两侧外层为柔性导电层，然后采用PDMS层将上述三明治结构封装，即柔性导电层的外侧为PDMS；

柔性导电层：亲水性处理的PDMS膜一面涂覆银纳米线层；在静电纺丝得到的PVDF纳米纤维膜的两面均贴合柔性导电层，使得银纳米线层与PVDF纳米纤维膜接触，在柔性导电层外再采用PDMS层封装；从柔性导电层引出导线；

为了实现上述的电子皮肤器件功能，本发明提出了如下的技术方案进行制备，包括以下步骤：

第一步：利用丙酮与DMF的混合溶剂溶解PVDF材料，将溶解好的溶液经过静电纺丝制备成纳米纤维膜；纺好后得纤维膜在真空干燥箱中进行烘干；

第二步：将PDMS经过等离子体处理改变亲水性，将银纳米线利用旋涂法均匀涂在PDMS表面，形成柔性导电层，旋涂后将薄膜放置在干燥箱中进行烘干；

第三步：利用“三明治”结构，将第一步得到的PVDF纳米纤维膜作为中间层，中间层的两侧覆盖第二步得到的柔性导电层，使得银纳米线层贴合中间层即PVDF纳米纤维膜上，在柔性导电层引出导线如铜带；再利用PDMS本身的粘附性，在柔性导电层对应的PDMS上再制备一层PDMS作为封装层，将整个三明治器件进行封装。