[发明专利]一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纤维基压力‑温度双模式电子皮肤及其制备方法。所述电子皮肤包括压力传感部分及温度传感部分，所述的压力传感部分包括压电纳米纤维膜及设于压电纳米纤维膜上、下表面的柔性导电织物电极，所述的温度传感部分包括具有温度传感性的碳纳米纤维膜以及分别设于碳纳米纤维膜上表面左、右两端的柔性导电织物电极条。压电纳米纤维膜切割后夹在两层柔性织物电极内部进行复合，得到压力传感部分；然后在顶部柔性导电织物上粘附透明封装材料作为绝缘层，碳纳米纤维膜粘附柔性导电织物条并转移到透明封装材料上，形成温度传感部分；两部分排成阵列，封装。本发明既可同时工作用于响应外界刺激；又可单独对温度或压力响应且每个模块互不影响。

技术领域

本发明涉及一种压力-温度双模式电子皮肤及其制备方法，属于柔性传感器技术领域。

背景技术

近年来，为了模拟皮肤的触觉感知，研究者构建了基于不同传导机制和结构设计的柔性压力电子皮肤阵列，在如何提高传感器的灵敏度和检测范围方面取得了令人瞩目的进展。然而，电子皮肤作为模拟人体皮肤的仿生器件，需要获得的不仅是压力感应功能，还迫切需要具备同时检测温度、湿度等复杂环境变化的能力，进而模拟人体皮肤的多维信息和感知功能。多功能电子皮肤在人机交互、智能假肢、智能机器人、健康监测、医疗诊断等方面具有广阔的应用前景。为了满足广泛的工业需求及复杂场景需求，制备能够感知并响应外部环境变化的多功能电子皮肤是未来的发展趋势。

其中，温度和压力是两种最常见的触觉刺激，尽管在温度传感和压力传感方面做了大量的工作，但独立检测和区分温度和压力仍然是一个巨大的挑战。以往的研究试图将多个传感器集成到单个像素中开发多功能电子皮肤，但这种方法仍然面临着不兼容、稳定性差、复杂的结构设计和昂贵的制造工艺等棘手问题。一些研究者设计了基于有机热电材料的传感器，可以同时检测温度和压力，但这种方法存在的局限性是只能检测温差，不能直接检测静态温度。这些柔性传感器通常用各种材料制成，如薄膜、橡胶、水凝胶和气凝胶等，但这些材料可能会引起瘙痒、炎症等不适症状。因此设计与制备纤维基压力-温度双模式的电子皮肤是促进电子皮肤面向实际应用的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种纤维基压力-温度双模式电子皮肤，其包括压力传感部分及温度传感部分，所述的压力传感部分包括压电纳米纤维膜及设于压电纳米纤维膜上、下表面的柔性导电织物电极，所述的温度传感部分包括具有温度传感性的碳纳米纤维膜以及分别设于碳纳米纤维膜上表面左、右两端的柔性导电织物电极条。

优选地，所述的压电纳米纤维膜通过静电纺丝技术得到，其厚度为20-90μm；所述的纳米纤维膜碳纳米纤维膜通过静电纺丝技术及热处理工艺得到，其厚度为10-60μm；所述的柔性导电织物电极条的厚度为10-60μm。

优选地，所述的压力传感部分、温度传感部分的上、下表面分别设有透明封装材料，所述的透明封装材料为聚氨酯透明薄膜、聚二甲基硅氧烷和甲基含氢聚硅氧烷中的任意一种或两种的混合物，其厚度为10-40μm；所述柔性导电织物电极条从上下两层透明封装材料之间的边缘露出。

本发明还提供了上述纤维基压力-温度双模式电子皮肤的制备方法，其包括以下步骤：

第一步：将无机纳米填料通过超声分散在有机溶剂中，得到第一分散液；将聚合物原料加入到第一分散液中，搅拌形成含无机纳米颗粒和聚合物的第一纺丝液，将第一纺丝液加入到静电纺丝装置中的注射器中，设置工艺参数进行静电纺丝得到压电纳米纤维膜；

第二步：将碳纳米纤维的前驱体聚合物材料溶解在溶剂中，搅拌，得到均匀的第二纺丝液，经过静电纺丝制备得到前驱体碳纳米纤维膜；将前驱体碳纳米纤维膜经过热处理工艺制备得到具有温度传感特性的纳米纤维膜；