基于仿生微结构的电子皮肤的研究

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电子皮肤,即可穿戴柔性仿生触觉传感器,在运动感应、持续性健康监测、手持式消费电子产品和人工智能机器人等众多领域都有着广泛的应用。电子皮肤主要由弹性基体和导电材料两部分组成。聚二甲基硅氧烷(PDMS,polydimethylsiloxane)由于具有良好的弹性和生物相容性,广泛地被人们用作柔性衬底,与导电纳米材料组装成电子皮肤。  压阻式电子皮肤由于工艺简单、成本低、抗干扰能力强、容易实现小尺寸和可大形变倍受研究者青睐。PDMS固有的粘弹性使得电子皮肤反应慢且信号滞后严重。为了克服PDMS的粘弹性,研究者利用光刻蚀出特定微结构,转移到PDMS上,制备的电子皮肤性能大大提高。微结构的优势在于:(1)微结构具有更好的压力响应性和机械性能,这可以克服PDMS由于固有的粘弹性导致器件的响应性差的问题;(2)微结构能够提供更多有效活性接触位点,这对于提高灵敏度起着关键作用。但是由于光刻蚀成本高、工艺复杂,难以大规模组装电子皮肤。因此,本论文摒弃光刻蚀的办法,采用植物叶片表面为模板,构筑微结构电子皮肤器件及其应用研究工作,具体如下:  (1)借助PDMS复制芭蕉叶表面微结构,使用银作为导电材料,制备出超灵敏,快速响应的压阻式柔性压力传感器。灵敏度达到10 kPa-1(0-400 Pa),3.3 kPa-1(400-1000 Pa),检测极限1 Pa,反应时间36ms和恢复时间30 ms,良好的循环稳定性(10,000次)。通过微结构表征和建模分析详细阐明了微结构对于提高电子皮肤性能的重要意义。制备的器件在脉搏以及声音辨别等人体信号检测方面有着很好的响应效果,对未来电子皮肤在医疗方面的应用具有一定指导作用。在气流检测方面也开展了系列研究,构筑的传感器件可以检测非常小的气流(流速~1.2 m·s-1)。初步尝试了非接触式语音识别,可以分辨出清辅音与浊辅音等发音方式差别大的词语。整个制备过程简单、高效、成本低。并且详细讨论了裂纹对于电子皮肤器件性能的作用机制,得出裂纹使得器件具有更好的性能的结论。我们的器件制备过程提供了一种非常好的借鉴意义,对于将来低成本的可穿戴电子器件的应用具有很大促进作用。  (2)选用四种不同的植物叶子作为制备不同特征尺寸的微结构柔性衬底的模板,完成多种压阻式压力传感器件的构筑。通过系统研究四种压力传感器的灵敏度、检测极限、响应时间、循环稳定性四个主要性能,与对应微结构的大小进行对比分析,初步得到结论:小尺寸微结构有利于获取高灵敏度的电子皮肤器件,但是检测线性范围窄;微结构尺寸大的电子皮肤器件检测范围大,但是灵敏度较小;微结构大的传感器件的检测极限也比较大;微结构密度大,受压发生形变量大,对导电银层破坏更大,最终电极表面饱和裂纹面积比例大。
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