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鄭州大學(xué)《Mater. Horiz.》：基于真空熱壓成型的類蘑菇三維多級結(jié)構(gòu)的電子皮膚
2023-10-05  來源：高分子科技

  電子皮膚(e-skin)是未來可穿戴電子器件的重要組成部分之一，通過在其靈敏層制備微結(jié)構(gòu)陣列可以提高其傳感性能。目前制備的微結(jié)構(gòu)陣列通常情況下具有單一的結(jié)構(gòu)使得電子皮膚難以平衡其靈敏度和壓力傳感范圍，并且大多數(shù)制備技術(shù)較為復(fù)雜，基體材料較為單一。為此，通過一種簡單高效的方法制備出常用熱塑性高分子微結(jié)構(gòu)陣列并應(yīng)用于高靈敏度和大壓力傳感范圍的電子皮膚具有重要意義。



  常用熱塑性高分子材料具有價(jià)格低廉、易熔體成型加工等優(yōu)點(diǎn)，熱壓是熱塑性高分子材料常用的成型方法之一，如果采用熱壓來制備熱塑性高分子材料微結(jié)構(gòu)陣列，將有助于挖掘熱塑性高分子材料的功能潛力。為此，鄭州大學(xué)材料學(xué)院提出一種高效制備壓阻式電子皮膚的方法，如圖1，采用真空熱壓的方法在熱塑性聚氨酯（TPU）膜表面制備了類蘑菇三維多級結(jié)構(gòu)并將其作為電子皮膚的靈敏層，基于微銑削技術(shù)制備的叉指電極作為電極層。有趣的是，該電子皮膚能夠通過獲取的生理參數(shù)實(shí)時(shí)精確地監(jiān)測健康狀況。此外，它還可以實(shí)現(xiàn)手勢識別和感知壓力刺激的軌跡。 


圖1. 類蘑菇三維多級結(jié)構(gòu)/叉指電極電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用


  如圖2，具有類似于自然界中蘑菇的“菌柄-菌蓋-菌褶”三維多級結(jié)構(gòu)的類蘑菇結(jié)構(gòu)（直徑250 μm，間距200 μm）均勻地排布在在TPU膜表面。同時(shí)多壁碳管（MMTC）也均勻地分布在了具有類蘑菇三維多級結(jié)構(gòu)的TPU膜表面。通過微銑削技術(shù)和刮涂銀漿的技術(shù)成功地制備了叉指電極（指電極寬度為250 μm，指電極間距為200 μm）。由于類蘑菇三維多級結(jié)構(gòu)的尺寸與指間電極的尺寸完美的匹配，使得組裝的電子皮膚中類蘑菇結(jié)構(gòu)和指電極凹槽之間形成“互鎖結(jié)構(gòu)”。 


圖2. 類蘑菇三維多級結(jié)構(gòu)和叉指電極的表面形貌


  如圖3和圖4，得益于電子皮膚中類蘑菇結(jié)構(gòu)和指電極凹槽之間的“互鎖結(jié)構(gòu)”，類蘑菇三維多級結(jié)構(gòu)/叉指電極電子皮膚在壓縮中表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能，包括高的靈敏度（最大靈敏度為600 kPa–1），寬的壓力傳感范圍（寬達(dá)150 kPa），較快的響應(yīng)時(shí)間（20 ms），低的檢測限（5 Pa）和良好的耐久性（15000次壓縮/回復(fù)循環(huán)測試）。 


圖3. 類蘑菇三維多級結(jié)構(gòu)/叉指電極電子皮膚的傳感機(jī)理 


圖4. 類蘑菇三維多級結(jié)構(gòu)/叉指電極電子皮膚的傳感性能


  如圖5，類蘑菇三維多級結(jié)構(gòu)/叉指電極電子皮膚在可穿戴領(lǐng)域展示出廣泛的應(yīng)用前景，不僅可以準(zhǔn)確地監(jiān)測人體不同部位的脈搏，還可以從已得的脈搏信號中獲取并分析生理參數(shù)對人體進(jìn)行健康監(jiān)測及評估。此外，電子皮膚通過集成多個(gè)傳感單元制備傳感陣列，成功地將手指觸摸的軌跡映射在二維區(qū)域，實(shí)現(xiàn)其在感知壓力刺激軌跡中的應(yīng)用。 


圖5. 該電子皮膚在健康監(jiān)測和感知壓力刺激軌跡中的應(yīng)用


  如圖6，基于類蘑菇三維多級結(jié)構(gòu)/叉指電極電子皮膚制備了智能手套，同時(shí)通過無線傳輸設(shè)備可以檢測到智能手套中每個(gè)手指彎曲的信號，進(jìn)而可以無線地識別各種手勢。此外，對該電子皮膚進(jìn)行簡單的封裝后貼在手指上，潛水員可以通過有節(jié)奏地按壓/釋放手指，發(fā)出“危險(xiǎn)”的信息，提醒同伴，或發(fā)出“Help”和“SOS”的信息，尋求幫助。 


圖6. 該電子皮膚在手勢識別和水下摩斯密碼識別中的應(yīng)用


  這一研究成果表明基于簡單的制備技術(shù)和巧妙的“互鎖結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異傳感性能的電子皮膚，該研究成果將為面向未來的智能可穿戴電子皮膚的設(shè)計(jì)提供了一種經(jīng)濟(jì)、便捷的策略。


  相關(guān)研究以“Mushroom-mimetic 3D hierarchical architecture-based e-skin with high sensitivity and wide sensing range for intelligent perception”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。鄭州大學(xué)為第一作者單位，博士研究生張亞杰為論文第一作者，鄭國強(qiáng)教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。


  全文鏈接：https://doi.org/10.1039/d3mh00679d

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