基于位置可调节纳米裂纹图案的超灵敏、高鲁棒性的多功能电子皮肤及制备方法

摘要

本发明提供一种基于位置可调节纳米裂纹图案的超灵敏、高鲁棒性的多功能电子皮肤及制备方法，属于触觉传感领域。该多功能电子皮肤主要包括衬底、高灵敏度应变传感单元和温度传感单元。衬底为PI衬底，可以使电子皮肤有很高的环境鲁棒性。高灵敏度应变单元是基于不同金属之间延展性差异的位置可编程裂纹图形方法进行制造。其灵敏度可以通过改变纳米裂纹图案化进行调节。温度传感单元采用蛇形线设计以减少应变的影响的无裂纹金属薄膜。本发明所提出的多功能电子皮肤不仅具有高应变灵敏度和宽温度范围，而且具有良好的环境稳定性，因此，在未来的柔性多功能电子系统中具有很大的潜力。

说明书

技术领域

本发明属于多功能电子皮肤领域，具体涉及一种基于位置可调节纳米裂纹图案的超灵敏、高鲁棒性多功能电子皮肤

背景技术

皮肤是一种复杂的体感系统，具有多种感知受体，从而能够感知各种类型的刺激，如机械(应变/压力)、热(热/冷)等。最近，基于柔性电子技术，开发了一系列电子皮肤(Electronic Skin，E-Skin)，以模拟天然皮肤的功能。这些努力为医疗保健、假肢、软机器人、和人机界面等领域的新兴应用创造了巨大的机会。然而，尽管在过去几年中取得了巨大的进展，但在传感方式方面，电子皮肤和天然皮肤之间仍存在很大差距。与具有不同类型受体的天然皮肤不同，当前的大多数电子皮肤设备仅由一种类型的传感单元组成。因此，电子皮肤通常只对一个变量敏感，而由多个变量引起的串扰则难以解耦。最终，仅存在一种类型的感测单元使得电子皮肤设备难以同时检测不同类型的刺激。进一步扩展当前用于多功能传感的电子皮肤设备的传感模态具有重要意义。具体而言，机械和热刺激的检测对于许多应用至关重要，如健康状况监测、人形机器人等。因此，有必要将应变和温度单元集成到单个电子皮肤设备中。

通过在一个柔性基板上制造应变传感单元和温度传感单元，这是实现电子皮肤应变和温度同时感知的最简单方法。然而，温度和应变之间的响应耦合是不可避免的。为了消除或减少温度和应变之间响应的耦合，一种方法是使用可以同时响应应变和温度的材料，并对温度传感单元进行了进一步的结构设计，以减少应变对温度传感装置的影响，最后，通过去除应变响应中的温度分量，可以获得准确的温度和应变。然而，目前提出的电子皮肤中的应变传感单元采用康铜合金，氧化铟锡，激光诱导石墨烯等材料进行制造，应变灵敏系数最高为40，与目前提出的高灵敏度应变传感器相比，还存在差距。

此外，尽管电子皮肤对环境稳定性要求很高，却很少研究电子皮肤在潮湿、高温和低温等恶劣环境中的性能。使用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)、水凝胶、和纸等材料作为基底，集成不同的传感元件，从而制造出一些带有复杂界面的多功能电子皮肤。然而由于衬底材料本身的特性，在高温、高湿度和酸性/碱性液体环境下，这些复杂的界面很容易失效，进而导致传感器性能的降低甚至损坏。因此，虽然多功能电子皮肤领域取得了显著进展；但是开发具有高应变敏感性和良好环境鲁棒性的电子皮肤仍然具有挑战性。

发明内容

根据上述提出的技术问题，本发明提出了一种基于位置可调节纳米裂纹图案的超灵敏、高鲁棒性的多功能电子皮肤。

为了达到上述目的，本发明采用的技术手段如下：

一种基于位置可调节纳米裂纹图案的超灵敏、高鲁棒性的多功能电子皮肤，所述多功能电子皮肤主要包括衬底、高灵敏度应变传感单元和温度传感单元。

所述衬底为聚酰亚胺(Polyimide，PI)衬底，PI衬底具有良好的环境稳定性和对沉积金属膜的高附着力，可以使电子皮肤有很高的环境鲁棒性。

所述高灵敏度应变单元为带有纳米裂纹的金属薄膜，金属薄膜上纳米裂纹在应变下的开合将导致显著的电阻变化，进而具有极高的应变灵敏度。其灵敏度还可以通过改变纳米裂纹的图案化(例如改变裂纹的密度与长度)进行调节。

所述温度传感单元是采用蛇形线设计的无裂纹金属薄膜，以减少应变的影响的。

一种基于位置可调节纳米裂纹图案的超灵敏、高鲁棒性的多功能电子皮肤的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用薄膜沉积系统在PI基底表面上沉积金属A薄膜，薄膜的厚度为10nm。

(2)采用标准光刻工艺，对金属A薄膜进行图案化，得到两条竖条纹状且相互平行的金属A层。

(3)在完成图形化后的样品上继续沉积一层金属B薄膜，作为电子皮肤的敏感层，薄膜的厚度为30nm。

(4)采用标准光刻工艺，对金属B薄膜进行图案化，图案化包括位于PI基底中部的U型结构和位于U型结构的U形壁上下两侧的蛇形线结构(即所述U型结构位于所述蛇形线结构的两条蛇形线之间)，其中，蛇形线结构和U型结构的端部均设有矩形电极，所有矩形电极位于PI基底同一侧，且四个电极位于一条直线上。其中，所述蛇形线结构包括两条蛇形线，两条蛇形线采用一条横梁结构在端部进行连接，该横梁结构位于PI基底另一侧，即蛇形线结构的电极位于远离横梁结构的一端，每条蛇形线的一端都连有一个矩形电极。所述U型结构包括中部梁结构和两壁结构，所述中部梁结构位于靠近横梁结构的一侧，所述两壁结构位于步骤(2)得到的两条竖条纹状的金属A层的上方，且与两条竖条纹的形状相同，每条壁的端部连接一个矩形电极。所述带有矩形电极的蛇形线结构为温度传感的单元。

(5)采用电子动静态拉伸试验机将步骤(4)完成图形化的样品夹在两个夹头上，沿着步骤(2)金属A层的长度方向拉伸5％的应变，以使竖条纹状的应变单元上的金属A和金属B薄膜都产生裂纹，即可得到具有应变传感单元和温度传感单元的多功能传感器。其中温度传感单元为蛇形线结构部分，应变传感单元为带有裂纹的U型结构部分，如图5所示。

(6)将聚酰亚胺胶带贴在制造的多功能电子皮肤上进行封装，得到多功能电子皮肤。

进一步的，所述的金属薄膜A中金属为铬，金属薄膜B中的金属为金、所述基底为PI基底。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提出的多功能电子皮肤不仅具有高应变灵敏度和宽温度范围，而且具有良好的环境稳定性，因此，在未来的多功能柔性电子系统中具有很大的潜力。

附图说明

图1为PI基底上溅射Cr的示意图。

图2为对Cr进行图案化之后的示意图(俯视图)。

图3为在样品上溅射Au的示意图。

图4为对Au图案化之后的示意图(俯视图)。

图5为对样品进行拉伸产生裂纹的示意图。

图6为封装后的多功能传感器的示意图。

图中，1PI基底，2铬薄膜，3金薄膜，4蛇形线温度传感单元，5裂纹应变传感单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种基于位置可调节纳米裂纹图案的超灵敏、高鲁棒性的多功能电子皮肤，其制造方法包括以下步骤：

(1)利用薄膜沉积系统在矩形PI基底1表面上沉积金属Cr，功率为300W，得到厚度为10nm的铬薄膜2，如图1所示。

(2)对Cr进行图案化，得到两条竖条纹状且相互平行的金属A层。

具体过程为在溅射完Cr的样品上，旋涂一层型号为AZ 703的正性光刻胶；在85℃的热板上前烘30min；以400mJ/mm

(3)在完成Cr图形化后的样品上沉积一层金薄膜3，作为电子皮肤的敏感层，功率为150W，厚度为30nm，如图3所示。

(4)采用标准光刻工艺，对Au进行图案化。

具体过程为在溅射完Au的样品上，旋涂一层型号为AZ 703的正性光刻胶；在85℃的热板上前烘30min；以400mJ/mm

图案形状具体为：图案化包括位于PI基底中部的U型结构和位于U型结构的U形壁上下两侧的蛇形线结构，即所述U型结构位于所述蛇形线结构的两条蛇形线之间，其中，蛇形线结构和U型结构的端部均设有矩形电极，所有矩形电极位于PI基底同一侧，且四个电极位于一条直线上。其中，所述蛇形线结构包括两条蛇形线，两条蛇形线采用一条横梁结构在端部进行连接，该横梁结构位于PI基底另一侧，即蛇形线结构的电极位于远离横梁结构的一端，每条蛇形线的一端都连有一个矩形电极。所述U型结构包括中部梁结构和两壁结构，所述中部梁结构位于靠近横梁结构的一侧，所述两壁结构位于步骤(2)得到的两条竖条纹状的金属A层的上方，且与两条竖条纹的形状相同，每条壁的端部连接一个矩形电极。所述带有矩形电极的蛇形线结构为温度传感的单元。

(5)采用电子动静态拉伸试验机将完成Au图形化的样品夹在两个夹头上，沿着步骤(2)Cr层的长度方向拉伸5％的应变以使应变单元上的金属铬和金属金产生裂纹，即可得到具有应变传感单元和温度传感单元的多功能传感器。其中温度传感单元为蛇形线部分4，应变传感单元为裂纹部分5，如图5所示。

(6)将聚酰亚胺胶带贴在制造的多功能电子皮肤上进行封装，如图6所示。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。