一种具有不规则表面微突的电子皮肤及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器领域，涉及一种电子皮肤及其制备方法，尤其涉及一种具有不规则表面微突即微突高度和粒度随机分布的压敏感应电子皮肤及其制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，人们生活水平不断提高和社会发展的速度越来越快，对生活的品质的要求也越来越高，逐渐向着智能化自动化发展，如市面上出现的机器人扫地机、吸尘器等。而在工业界，机器人可以完成人类在不可以耐受的环境、负荷下完成的工作以及达到人类不可能达到的动作精确性，也获得了广泛的应用。然而，机器人如何去更有效的替代人的功能，更好地感知外部世界的信号并高效准确地做出相应的反应和动作，比如能精确分辨一个很轻或易碎的物体与一个重物的分别从而能轻轻地拿起一个乒乓球或鸡蛋却不会捏碎，一直是人们面临的问题和不懈努力的工作方向。实现一个功能强大的机器人，需要很多方面的高效运作及配合，包括传感、控制和机械三个部分。其中传感部分在实现功能优良的机器人中起着决定性的角色，正如人类身体的皮肤，机器人用电子皮肤来感知外界的刺激，控制跟机械部分才能准确地反馈并做出相应的动作。因此电子皮肤的性能好坏决定了机器人在相关技术范畴内的智能化程度。而衡量电子皮肤性能好坏的指标主要包括灵敏度、响应速度及灵敏压力区间等。灵敏度的计算公式为[AR/RJ/ΔΡ，顾名思义，即在最小的压力变化区间内电阻的变化率如果越大，则电子皮肤的灵敏度越高。灵敏度越高，作为电子皮肤感受外界的刺激就会更加灵敏有效。响应速度即在外界压力作用下，传感器能用越短的时间做出响应。响应速度越快，那么反馈外界刺激就会越及时。灵敏区间即为电子皮肤在相应灵敏度下感应压力的范围，如果这个区间越大，那么同样的一个电子皮肤器件能感受刺激的范围也越大，使大面积高性能通用电子皮肤成为可能。
[0003]目前大部分压力传感器及电子皮肤的支撑层及感应层由一些表面微突高度和尺度一致的模具制备，比如利用光刻的方法制备得到硅片凹模，由小尺寸(如6 μ m高，底边正方形边长8μπ?)的棱锥阵列突起组成。这样的模具所具有的特点是各微突高度均匀，每个棱锥可以同时接触到对电极，在载荷不断加大时，所有棱锥与对电极的接触面积都会通过棱锥变形而增加。这样均一高度的微观结构一方面由于棱锥的高度较小，限制了加载时压力方向上的变形空间，另一方面，由于外加压力需要使所有突起同时变形，因而需要较大的压力才通过变形使接触面积增加，因而随压力变化其有效面积变化较小，也即其灵敏度相对很小，限制了传感器的应用领域。其次，由于这种光刻结构中能产生有效变形的突起仅占实际器件面积的一部分，尽管通过外压变形使接触面积有所增加，但这种变形引起的接触面积增加有限，也即无法通过加压达到全面积接触状态，加压后仍然有大量的非接触区域，所以由变形引起的接触面积增加会较早就达到饱和，从而使这种结构器件的灵敏压力区间也较小。再则，考虑到人类成年人的皮肤表面积为1.5-2m2，并且遍布各种生物传感器，如果要实现机器人更加高效地感应外部刺激使之更加智能化，就需要使用大面积的电子皮肤。而目前类似于这种通过光刻制备模具的方法，例如，以硅片为模具的光刻制备工艺，受单晶硅生长工艺的限制，显然不适合大面积制备工艺，也即如果采用这种传统方法来实现大面积的电子皮肤制备，将会面临高昂的成本及生产制造的困难。
[0004]综上，如果能设计出一种新颖的结构或者形貌，同时开发出一种新的工艺技术，使得既能在加载过程中引入导致接触面积发生剧烈且持续变化的因素，使制备得到的电子皮肤的灵敏度获得极大的提高；同时又能使器件的有效形变面积大幅提高，使敏感的压力区间得到拓展；再则，又能解决目前模具不适合大面积且低成本制备的难题，则将对机器人事业的快速发展提供有力的支持并产生重要影响。
[0005]实际上，解决在非光刻条件下，制备一种微突起与电极的接触面积能随压力由小到大连续变化，且样品上的突起又能以极高的密度分布于表面以减少无接触空间的比例问题，是获得高性能低成本电子皮肤的关键。以此，若能设计一种微突起颗粒尺度及高度连续变化，又保证这种不同粒度的微颗粒能致密分布于样品表面，则有望在受压时各个不同高度的微突起与对面电极接触时是由最高到最低且通过增加极小的压力逐级发生，也即可大大提高这种皮肤的灵敏度，特别在低压力范围内的灵敏度；同时全部面积都成为有效形变面积，则可大大提高这种皮肤的灵敏压力区间。而且，若能保证采用一种通用的低成本合成工艺成功制备这种新型结构的电子皮肤材料，则对电子皮肤的性能提高和制备的低成本化将产生重大的影响，对促进相关材料在这一领域的实际应用将起到关键作用。进一步，由于这种结构与传统结构相比在加压过程中除了本身微突起受压后变形使接触面积增加外，同时还由于引入了不同颗粒逐级接触而使接触面积由小到大连续变化的过程。因而这种结构的皮肤还有望同时出现两种不同的压敏机制，一种是传统的微突起受压变形机制，另一种是微突起受压接触递增机制，以此可望获得一类在不同压力范围内出现不同灵敏度的高性能材料。除了在微突起受压变形机制作用范围内由于微突起的高致密分布使灵敏度高于传统结构皮肤外，特别在低压力范围内反而具有更高的灵敏度，这与正常情况低压力范围内灵敏度一般较低形成鲜明对比，这有可能引起这种电子皮肤的性能取得革命性的提高。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种灵敏度高、感应范围广、生产成本低的具有不规则表面微突的电子皮肤及其制备方法。
[0007]本发明的具有不规则表面微突的电子皮肤，从下往上依次包括衬底、支撑层、压敏感应层、电极层及柔性保护层，柔性保护层边缘通过双面粘性层与衬底粘结，将支撑层、压敏感应层及电极层封装；所述的支撑层表面与压敏感应层表面均具有微突起，且微突起的高度在2 μ m-80 μ m范围内呈随机分布，微突起的粒度在10 μ m-280 μ m范围内呈随机分布。
[0008]上述技术方案中，进一步的，所述的衬底为杨氏模量低于80GPa的柔性材料，其厚度低于100 V- m。
[0009]进一步的，所述的支撑层为杨氏模量为50kPa_3MPa的材料，厚度范围为50-150 μ m0支撑层最好采用具有生物相容性的高分子材料，包括PDMS或者皮肤仿制硅胶(Dragon Skin)等其他杨氏模量较小的柔软有弹性的生物或医用硅橡胶材料，对应的PDMS比例是，PDMS制备时是将PDMS (聚二甲基硅氧烷)的单体与交联剂按照30:1_10:1的质量比混合均匀，对应PDMS的杨氏模量为50kPa-3MPa，得到PDMS混合溶液，用于制备支撑层；。
[0010]进一步的，所述的压敏感应层为电导率大于0.0lS/cm且杨氏模量小于或等于2.5GPa的材料。
[0011]进一步的，所述的压敏感应层为PED0T:PSS或者改性的PEDOT:PSS，所述的改性的PEDOT: PSS具有比PEDOT: PSS更高的电导率，此处改性的PEDOT: PSS通常为用有机溶剂如乙二醇、甘油、二甲基亚砜或者山梨糖醇等掺杂而使电导率提高的PH)0T: PSS。
[0012]进一步的，所述的压敏感应层的厚度为0.5 μπι-2 μπι。
[0013]进一步的，所述的电极层采用面内平行条状电极，单条电极的宽度范围为0.2mm-5mm，两条电极之间的间隙距离为0.5mm-3mm。
[0014]进一步的，所述的电极层为金、铂、银、铜、碳纳米管、石墨烯中的一种或者多种的组合。
[0015]上述的具有不规则表面微突的电子皮肤的制备方法，包括如下步骤:
[0016]a.将表面微观高度不均一的模具用氧-等离子或紫外臭氧清洗，再用脱模剂对上述模具表面进行真空蒸镀处理，所述的脱模剂选自全氟辛基三氯硅烷或全氟十二烷基三氯娃烧;
[0017]b.在上述模具表面采用旋涂法制备支撑层，固化脱模后，得到表面高度不规则的微突起构造的支撑层；用氧-等离子或紫外臭氧对支撑层表面清洗，再在上述支撑层表面采用旋涂法制备压敏感应层，这样压敏感应层会紧密贴附在支撑层表面从而复制出支撑层的微观结构，得到表面高度不规则的微突起构造的压敏感应层；
[0018]c.在柔性保护层上制备电极层，将步骤b中获得的具有压敏感应层的支撑层置于洁净的衬底上，再将具有电极层的柔性保护层翻转置于上述衬底上，使得电极层与压敏感应层接触，柔性保护层的边缘通过双面粘性层与衬底粘结，完成封装，获得电子皮肤。
[0019]上述技术方案中，所述的表面微观高度不均一的模具通常为砂纸，砂纸的型号为#180-#5000中的任一型号。
[0020]本发明以表面微突高度和粒度不规则分布的砂纸作为模板，利用适合大面积生产的化学成膜方法，通过在模板上进行形膜-脱膜过程，制备得到其表面微突高度分布不规则的感应层，其微突颗粒高度分布范围可达2-80 μ m，而且微突颗粒致密分布于