[发明专利]压阻式电子皮肤及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种压阻式电子皮肤及其制备方法。

背景技术

机器人，作为人工智能的自动化器件，越来越多的融入到人类的日常生活，并在诸如高温、高压、排爆等危险性行业代替了人类而执行相关工作。目前的机器人系统已经通过各类传感器的集成，实现了许多诸如人类的视觉、听觉和嗅觉功能。但是，如何像人类一样，拥有敏感的触觉功能，一直以来也是机器人系统所面临的挑战性问题之一。电子皮肤的诞生将给机器人系统带来了巨大的变化，使得机器人可以从外界环境获得更多的信息。

尽管自2004年以来，日本和美国的部分研究组已经报道了基于有机场效应晶体管型、电容式和压阻式的电子皮肤，但却各有利弊，例如，复杂的加工工艺和器件结构、较大的驱动电压、较低的灵敏度、刚性硅基材料的使用使得器件具有非透明和非柔性等特点也限制了器件的使用范围。

因此，确有必要提供一种结构简单、高灵敏度、高精确度和耐用的人工电子皮肤。

发明内容

本发明的目的是提供一种全新结构的基于碳纳米管薄膜的压阻式电子皮肤，其具有低成本、低驱动电压、高灵敏度、快响应时间、高稳定性等优点。

为了达到上述目的，本发明提供了一种压阻式电子皮肤，其包括：

两柔性衬底；

两导电层，分别涂覆在两柔性衬底上，两导电层相互接触；

两导电极，分别与两导电层接触。

优选的，所述至少一柔性衬底采用聚二甲基硅氧烷薄膜。

优选的，所述聚二甲基硅氧烷薄膜的至少一面具有图案，所述图案的尺寸在0.1-500μm之间。

优选的，所述导电层包括碳纳米管薄膜，所述碳纳米管薄膜主要由碳纳米管交织的网络组成。

优选的，所述碳纳米管薄膜的透光率为50-97%，方阻为100-10⁷Ω/sq。

优选的，所述碳纳米管薄膜的厚度一般在10nm-500nm左右，是由单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或者多种的复合所形成的，其中，所述单壁碳纳米管为金属性单壁碳纳米管或同时含有金属性和半导体性碳纳米管的混合单壁碳纳米管。

优选的，所述导电层可以为铜、银和金中的任意导电金属或半导体材料的一种或二种以上的组合。

优选的，所述导电极是采用金、铂、镍、银、铟、铜、碳纳米管和石墨烯中的任意一种材料或者二种以上材料的组合制成的。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种压阻式电子皮肤的制备方法，步骤如下：

S1、制备两图案化的柔性衬底，其中至少一层为聚二甲基硅氧烷薄膜；

S2、制备碳纳米管溶液，并分别涂覆至两柔性衬底带有图案的表面，形成碳纳米管薄膜，将带有图案的碳纳米管薄膜的一侧面对面组装，形成碳纳米管薄膜相互接触的薄膜器件；

S3、使用导电材料分别在两碳纳米管薄膜上形成上、下导电极，并从导电极上引出导线，得到压阻式电子皮肤。

优选的，所述S1中的聚二甲基硅氧烷薄膜是通过如下方法制备的：

S11、将聚二甲基硅氧烷在真空中去气1-30分钟，并倒入在一个设有图案的模板上，聚二甲基硅氧烷的厚度在0.1-3mm之间，之后在50-100℃的温度下加热0.5小时以上固化成型；

S12、固化成型后的聚二甲基硅氧烷在有机溶剂中超声5-30分钟后从模板上取下。

优选的，所述模板可以是具有微结构的硅衬底、金属衬底、布料、丝绸制品或具有微结构的生物体器官；所述有机溶剂可以是甲醇、乙醇或乙二醇。

优选的，所述步骤S2具体可以包括：

S21、将单壁和/或双壁、少壁、多壁的碳纳米管加入含1wt%-10wt%的表面活性剂的水溶液，直至碳纳米管浓度为0.01-50mg/ml，然后，将该混合溶液超声预分散1min-10h，形成碳纳米管分散液；

S22、对该碳纳米管分散液以1000-20000rpm的速率离心处理0.1h以上，取上清液作为成膜前溶液；

S23、采用去离子水将成膜前溶液稀释1-100倍，然后，将稀释的碳纳米管溶液使用喷笔均匀地喷涂至两柔性衬底带有图案的表面，形成碳纳米管薄膜，将带有图案的碳纳米管薄膜的一侧面对面组装，形成碳纳米管薄膜相互接触的薄膜器件。

优选的，所述步骤S23中在组装成薄膜器件之前，采用去离子水多次浸泡所述表面有碳纳米管薄膜的薄膜，用以去除表面活性剂，干燥后再以浓度为3-8M的强酸处理所述碳纳米管薄膜0.1-24h。