[发明专利]一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法

说明书

一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法，属于柔性生物材料及电容式触觉传感器技术领域。依次由下柔性衬底、下透明电极、100～300μm厚的壳聚糖薄膜介电层、上透明电极和上柔性衬底组成。本发明所述器件为全透明柔性电容式触觉传感器，器件在受到微弱的力而发生微小形变的时候能够在材料内部产生较大的结构形变，进而输出相应的电容信号变化，从而降低器件的检测极限，有利于作为可穿戴触控装置监测微弱的信号变化，且易于集成n×m的传感器阵列。本发明采用生物材料作为介电层制作柔性电容式触觉传感器，有效的提升了器件的生物兼容性、环境友好性及光学透过性，更有利于应用在可穿戴电子领域。

技术领域

本发明属于柔性生物材料及电容式触觉传感器技术领域，具体涉及一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法。

背景技术

随着智能终端的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。传感器作为核心部件之一，将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点，使其成为最受关注的电学传感器之一。触觉传感器在人体健康监测及人工智能机器人领域发挥着至关重要的作用。近年来，人们已经在可穿戴可植入传感器领域取得了显著进步，例如利用电子皮肤向大脑传递皮肤触觉信息，利用三维微电极实现大脑皮层控制假肢，利用人工耳蜗恢复病人听力等。一个理想的柔性触觉传感器，除了性能优异、制备简单和成本低廉等要求外，还需具备生物兼容性及环境友好等特点。

根据信号转换原理，触觉传感器主要分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器。其中电容式传感器是将被测参数变换为电容量的测量装置，具有测量范围大、灵敏度高、动态响应时间短、功耗低等优点。对于电容式压力传感器，专利号为CN1961204A的专利公开了一种小型化、可靠性良好的电容式压力传感器的设计。专利号为CN103728061A的专利克服了电容容值变化难以采集的问题，测量的压力值精准稳定。

然而，上述专利其硬性衬底均不适用于应用在可穿戴电子系统中。而随着社会的发展，可穿戴式电子系统的需求必将会越来越大。因此迫切需要发明一种柔性电容式压力传感器应用在触觉传感领域。中科院化学所狄重安等人(Nature Communication 2015,6,6269)制造了以纯空气作为介电层的柔性压力传感器，灵敏度达到空前的192kPa^-1。此外，制备好的器件还显示出10ms的短响应时间和0.5Pa的检测下限压力。然而，空气的低介电常数可导致小的电容值和差的抗干扰能力。这些柔性电容式压力传感器虽然具有工艺简单、成本低、小尺寸等优点，但也存在着生物兼容性差、迟滞大等缺点。

为此，需要发明出一种既具有柔性、高灵敏、快响应、稳定好等特性，同时能够具有良好生物兼容性可与皮肤完美接触随身穿戴的柔性电容式触觉传感器。

发明内容

本发明的目的是制备一种更快响应速度、更高灵敏度、生物兼容性好的基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器及其制备方法，该器件利用生物材料壳聚糖作为传感器的介电材料，利用衬底和电极的透明特性制作成了柔性透明生物兼容的电容式触觉传感器。制备所述的柔性透明生物兼容的电容式触觉传感器的方法，利用表面沉积法在柔性衬底表面沉积一层透明电极，将生物材料壳聚糖旋涂在电极表面作为传感器介电层，在介电层表面沉积一层透明的电极并覆盖柔性衬底形成柔性透明的触觉传感器，如图1所示，通过感知外界微弱压力的变化表现为自身的电容的变化，进而应用于可穿戴电子领域。

为了实现上述目的，本发明设计了一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器，由下至上依次由下柔性衬底、下透明电极、介电层、上透明电极和上柔性衬底组成，下透明电极和上透明电极由导线引出；其特征在于：介电层为生物材料壳聚糖薄膜，其厚度范围为100～300μm。

本发明所述的一种基于生物材料壳聚糖薄膜的柔性电容式触觉传感器的制备方法，其步骤如下：