[发明专利]一种电子皮肤及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种电子皮肤及其制备方法。电子皮肤包括云母衬底、覆盖在云母衬底上的50%Nb掺杂BaTiO₃半导体薄膜层、覆盖在半导体薄膜层上的铂金电极，所述云母衬底的厚度为0.02~20μm，半导体薄膜层的厚度为5~200nm，金属电极的厚度为5~200 nm。电子皮肤可以感知温度、应力、形变和光照，且具有可弯曲、重量轻、厚度薄、功耗低、应力感应高灵敏、耐低温和有机溶剂等优点，还具有很好的耐低温和耐弯曲疲劳特性。电子皮肤的制备工艺简单、成熟的镀膜工艺可以与半导体工艺兼容，能够实现光刻和离子刻蚀，从而能够使效率更高更方便实现器件的微型化和集成化，易于产业化推广。

技术领域

本发明涉及电子皮肤技术领域，更具体地，涉及一种电子皮肤及其制备方法和应用。

背景技术

电子皮肤是一种能够弯曲或拉伸的电子传感器，因其能够对应力、温度、湿度、气体或光照等具有探测能力，并且像皮肤一样柔软能够贴合在生物、机器人、土木建筑或者飞机的机翼表面，也可植入到衣服、手套、甚至仿生假肢以及身体中使其对周围环境产生触觉从而形成可穿戴、功能性并有一定感知能力的电子器件。这些特性使电子皮肤在人机交互、机器人工程和生物医学器件等领域具有极大的应用意义。

一直以来，人们对电子皮肤的研究多采用金属或硅纳米线、碳纳米管、石墨烯和具有导电能力的弹性高分子沉积或贴合于聚酰亚胺(PI)、二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)以及棉花甚至丝绸纤维上。然而一些无法避免的问题却限制了这些传统的电子皮肤的应用，例如以碳纳米管、石墨烯为感受材料的应力传感器在制备过程中需要转移工艺，以金属纳米线为感应材料的电子皮肤在制备过程中需要静电纺丝工艺，这些工艺比较耗时并且无法与现在高效并且成熟的半导体工艺兼容。此外，聚酰亚胺(PI)、二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)以及棉花甚至丝绸纤维等这些柔性衬底无法耐受高温、低温等严酷的自然环境，无法满足电子皮肤产品的使用环境要求。

因此，提供一种新的不仅具有很好的应力、温度和光照感应性能，且能够应对高温、低温等严酷的自然环境的电子皮肤对于扩大和改善电子皮肤的应用性能具有非常重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有电子皮肤制备的缺陷和不足，提供一种电子皮肤。

本发明的另一目的在于提供一种上述电子皮肤的制备方法。

本发明的另一目的在于上述电子皮肤在可穿戴、功能性电子器件中的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种电子皮肤，包括云母衬底、覆盖在云母衬底上的50％Nb掺杂BaTiO₃半导体薄膜层、覆盖在半导体薄膜层上的铂金电极，所述云母衬底的厚度为0.02～20μm，半导体薄膜层的厚度为5～200nm，金属电极的厚度为5～200nm。

云母衬底决定电子皮肤的可弯曲特性，因此云母衬底不能太厚，太厚的云母衬底不再具有柔性，在承受机械应力时容易碎裂，太薄的云母衬底具有很好的柔性，但是容易撕裂或被刺破。

半导体薄膜层的厚度决定电子皮肤的电学性能，太薄的半导体薄膜层具有较大的电阻，在通电工作状态易发热且功耗较高，太厚的半导体薄膜层虽具有较小的电阻，但是较厚的半导体薄膜层中也具有较多的晶格缺陷，这些晶格缺陷会成为电子迁移过程中的散射中心，从而大大降低电子的迁移率并降低电子皮肤对外界刺激相应的灵敏度。

金属电极是电子皮肤与外部仪器、电路以及其他传感器或处理器连接的桥梁。因为半导体薄膜层以及衬底均具有一定的粗糙度，所以太薄的金属电极无法形成有效的金属薄膜，导致金属电极自身电阻增大，不利于将半导体薄膜层的电学信号传输给外部仪器或电路，太厚的金属电极具有较小的电阻，但是在电子皮肤弯曲过程中会导致较厚的金属电极的脱落从而减少电子皮肤的寿命。