[發明專利]一種非接觸式自驅動電子皮膚及其制備方法

有效

• 申請號: 201711104078.8
• 申請日: 2017-11-10
• 公開（公告）號: CN107941246B
• 公開（公告）日: 2019-11-22
• 發明（設計）人: 張海霞;吳瀚翔;蘇宗明;師馬躍;繆立明;宋宇;陳號天
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01D5/12
• 分類號: G01D5/12;G06F3/01;H01L51/00
• 代理公司: 11255 北京市商泰律師事務所
• 代理人: 黃曉軍<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明提供了一種非接觸式自驅動電子皮膚，涉及傳感器和電子皮膚技術領域，包括有摩擦層薄膜，摩擦層薄膜表面均勻設有若干微結構摩擦單元；隔離保護層，隔離保護層的下表面連接有柔性襯底，柔性襯底與隔離保護層之間夾裝有電極；隔離保護層上設有能夠使所述摩擦層薄膜在受到外界壓力時與所述柔性襯底層相互接觸的接觸區。本發明可實現多種運動方式的交互傳感，接觸分離過程使摩擦層薄膜帶電，之后摩擦層薄膜可不與隔離保護層、電極、柔性襯底組成的三層結構接觸而在其上空滑動，滑動的位移終點坐標可以通過分析電極接收到的電信號得到；采用自驅動的傳感方式，制備工藝簡單方便，可根據實際需要快捷的調整工藝參數，生產成本低，適于批量生產。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，具體涉及一種非接觸式自驅動電子皮膚及其制備方法。

背景技術

近年來，電子皮膚領域因為其可穿戴電子設備的特性以及與皮膚一樣可集成多種傳感功能的潛力吸引了越來越多的關注，而電子皮膚的運動傳感性能對人工智能來說是最重要的功能之一。多數電子皮膚依賴接觸傳感實現運動傳感，并采取了集成諸如壓阻、電容、主動式器件等傳感單元的方式來實現接觸傳感器。然而，上述接觸式運動傳感功耗大，因此需要對電池及時充電，為了提升分辨率，則需要設置足夠的電極數量，從而嚴重影響了以電子皮膚為主要功能的便攜式電子系統的可行性。盡管如此，自驅動系統和模擬式傳感原理點出了可能的解決方案。前者采集周圍環境中的能量為器件供能，因此可以擺脫電池的束縛，后者則可以少量的電極實現無窮大的理論分辨率。

接觸式傳感的電子皮膚由于長時間的接觸導致磨損，使電子皮膚的性能降低，同時，接觸式傳感限制了運動的可能性與多樣性，即只有有限的一些運動種類，如觸碰和滑動可以被檢測到。如果人的運動獲得更多的自由度，那么人機交互將變得更加有效而有吸引力。因此，具有非接觸式運動傳感的電子皮膚在諸如與智能手機屏幕集成等潛在應用中是是十分有前景的，因為它將人的手指從觸碰中解放了出來，并使之可以在界面上方漫游，可實現多種運動方式的交互傳感。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠實現多種運動方式交互傳感的非接觸式自驅動電子皮膚，以解決上述背景技術中存在的接觸式電子皮膚功耗大，電極數量要求高的技術問題。

為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案：

一種非接觸式自驅動電子皮膚，包括：

摩擦層薄膜，所述摩擦層薄膜表面均勻設有若干微結構摩擦單元；

隔離保護層，所述隔離保護層的下表面連接有柔性襯底，所述柔性襯底與所述隔離保護層之間夾裝有電極；所述隔離保護層上設有能夠使所述摩擦層薄膜在受到外界壓力時與所述柔性襯底層相互接觸的接觸區。設置的接觸區是讓摩擦層薄膜帶電荷之后可以不再接觸柔性襯底、電極、隔離保護層組成的三層結構，使摩擦層薄膜在其上空5cm范圍內滑動。該滑動的位移可以被所述電極接收，通過對電信號的分析可以確定上述滑動運動終點的坐標。

進一步的，所述接觸區為圓形通孔，所述微結構摩擦單元為四棱錐型結構。

進一步的，所述電極為圓環形結構。

進一步的，所述摩擦層薄膜和所述隔離保護層均由聚二甲基硅氧烷PDMS 制成。

進一步的，所述電極由氧化銦錫ITO制成，所述柔性襯底由聚對苯二甲酸乙二醇酯PET制成。

一種如上所述的非接觸式自驅動電子皮膚的制備方法，包括如下步驟：

步驟S110：在硅片上制成熱氧化的二氧化硅，覆蓋具有正方形陣列的光刻板進行曝光后，放入顯影液顯影，去離子水清洗，通過六氟化硫刻蝕以暴露硅片，丙酮清洗，再使用氫氧化鉀溶液進行濕法腐蝕，直至完全反應，得摩擦層薄膜模具；