電子皮膚及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種電子皮膚及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為人類，我們與周圍環(huán)境直接的相互作用是通過我們的感官和皮膚實現(xiàn)的，而在人工智能領(lǐng)域，通過電子方式實現(xiàn)仿生感觸功能的技術(shù)依然是一個巨大的挑戰(zhàn)，電子皮膚的出現(xiàn)和發(fā)展有望對人工智能領(lǐng)域中仿生感觸功能的實現(xiàn)起到至關(guān)重要的作用。自從2004年東京大學(xué)首次提出OFET電子皮膚以來，先后有電容式、壓阻式、壓電式等電子皮膚被成功構(gòu)筑。近年來，隨著納米材料與納米技術(shù)的高速發(fā)展，基于納米材料和納米結(jié)構(gòu)的人造電子皮膚表現(xiàn)出了高的靈敏度、快速的檢測時間、高的穩(wěn)定性、多功能等優(yōu)異的性能，甚至其功能已經(jīng)越來越接近人類皮膚。因此，有望在未來生物醫(yī)療、人體生理健康監(jiān)測、人機交互、觸摸式顯示技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
[0003]隨著谷歌眼鏡、蘋果手表iWatch等概念產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，可穿戴設(shè)備將帶著高靈敏度、低成本、低功耗、攜帶方便以及更加便捷的使用體驗等優(yōu)點進(jìn)入公眾的視野，擴展著PC與手機所不具有的功能。通過和軟硬件科技的深度整合以及高度集成的智能終端，可穿戴設(shè)備在打造智能化個人生活的同時也進(jìn)一步建設(shè)著智能城市乃至智能世界，因此將會給人類的生活方式和消費觀念帶來革命性的變革。未來的可穿戴設(shè)備種類會有很多種可能，但會與傳感技術(shù)相結(jié)合，并將人體作為一種輸入或輸出的方式，最后通過其自身或通過手機APP的方式連接互聯(lián)網(wǎng)，最終實現(xiàn)人機智能交互。
[0004]具有納米結(jié)構(gòu)、超薄厚度、更輕重量、柔性接近人體皮膚的電子皮膚是構(gòu)筑可穿戴器件最理想的材料。最近世界公認(rèn)的頂級學(xué)術(shù)期刊Nature上報道了一種OFET結(jié)構(gòu)的超薄(2 μ m)電子皮膚，它比羽毛還輕，而且揉搓、伸縮之后依然可用；但該皮膚由于OFET的載流子遷移率低導(dǎo)致工作電壓高，功耗大，靈敏度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種電子皮膚及其制作方法，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中工作電壓高、功耗大以及靈敏度低的問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
本申請實施例公開了一種電子皮膚，包括柔性的敏感層，所述敏感層的上表面和下表面至少之一為非平面結(jié)構(gòu)，所述敏感層的上表面和下表面上分別形成有上電極層和下電極層。
[0007]優(yōu)選的，在上述的電子皮膚中，所述敏感層的材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度范圍為2?50 μ m。
[0008]優(yōu)選的，在上述的電子皮膚中，所述敏感層的材質(zhì)為高分子材料，所述的高分子材料選自聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮甲醛、聚乙烯中的一種或多種的組合。
[0009]優(yōu)選的，在上述的電子皮膚中，所述的敏感層和下電極層之間還設(shè)置有柔性的支撐層。
[0010]優(yōu)選的，在上述的電子皮膚中，所述的支撐層為聚乙烯(PE)薄膜，厚度范圍為I?100 μ m,優(yōu)選為 12 μ m。
[0011]優(yōu)選的，在上述的電子皮膚中，所述支撐層材料還可以選自高透明高柔性的聚氯乙烯(PVC)薄膜、聚偏二氯乙烯(PVDC)薄膜中一種或多種的組合。
[0012]優(yōu)選的，在上述的電子皮膚中，所述的上電極層和下電極層材質(zhì)選自金、鉬、鎳、銀、銦、銅、碳納米管、石墨烯、銀納米線中的一種或多種的組合。
[0013]優(yōu)選的，在上述的電子皮膚中，所述的上電極層和下電極層的電極是通過蒸鍍或化學(xué)沉積方式形成的。
[0014]優(yōu)選的，在上述的電子皮膚中，所述的非平面結(jié)構(gòu)為凸伸的多棱椎體。
[0015]優(yōu)選的，在上述的電子皮膚中，所述的每個椎體的底面為10 μ mX 10 μ m的正方形，側(cè)面與底面的夾角為54.7°，椎體高度為7.06 μ m。
[0016]相應(yīng)的，本發(fā)明還公開了一種電子皮膚的制作方法，包括:
51、制作可形成所述非平面結(jié)構(gòu)的模板；
52、在模板表面形成一層有機物分子層；
53、在有機物分子層上形成敏感層；
54、在敏感層上形成一層支撐層；
55、熱處理，將固化后的敏感層和支撐層從模板上剝離；
56、分別于敏感層的上表面以及支撐層的下表面形成上電極層和下電極層。
[0017]優(yōu)選的，在上述的電子皮膚的制作方法中，所述的有機分子層選自三甲基氯硅烷或全氟辛基三氯硅烷。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明的電子皮膚與新型微納傳感技術(shù)相融合，由于使用了無毒且生物相容性很好的超薄彈性薄膜材料，故能很好的和人體皮膚融為一體，構(gòu)筑成可穿戴式器件能帶來超好的用戶體驗感；同時由于敏感材料獨特的納米結(jié)構(gòu)使得該設(shè)備具有的靈敏度更高、穩(wěn)定性更好；加上整個器件輕小靈巧具有攜帶方便的優(yōu)點。
[0019]本發(fā)明的電子皮膚有效的避免了載流子遷移率低的問題，因而工作電壓很低(一般是2V)，功耗也小；同時具有獨特的微結(jié)構(gòu)使該器件靈敏度很高。
【附圖說明】
[0020]為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0021]圖1所示為本發(fā)明具體實施例中電子皮膚的剖視圖；
圖2所示為本發(fā)明具體實施例中硅晶片模板的SM圖；
圖3所示為由圖2所示模板制作的PDMS柔性薄膜的SEM圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0023]參圖1所示，本實施例中的電子皮膚包括柔性的支撐層1、形成于支撐層I上表面的柔性的敏感層2，以及分別形成于敏感層2上表面和支撐層I下表面的上電極層3和下電極層4。
[0024]敏感層2的材料優(yōu)選為PDMS (聚二甲基硅氧烷)，敏感層2的材料還可以是其他高分子材料，如聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮甲醛、聚乙烯中的任意一種或多種。
[0025]敏感層2的上表面為非平面結(jié)構(gòu)，優(yōu)選為多個凸起的椎體21，每個椎體21的底面為為ΙΟμπιΧΙΟμπι的正方形,側(cè)面與底面的夾角為54.7° ,椎體高度為7.06 μ m。
[0026]在其他實施例中，敏感層2上表面的形狀也可以為波浪狀等其他非平面結(jié)構(gòu)。
[0027]易于想到的是，敏感層2的下表面也可以設(shè)置為非平面形狀，相應(yīng)地，敏感層2的下表面也需要設(shè)置一層電極層。
[0028]支撐層I優(yōu)選為高透明高柔性的超薄PE (聚乙烯)薄膜，其厚度優(yōu)選為12 μ m。
[0029]PE薄膜作用在于幫助在硅晶片表面的圖案化PDMS膜與模板能完整輕易分離，同時作為襯底支撐PDMS膜。
[0030]上電極層3和下電極層4的材料選自金、鉬、鎳、銀、銦、銅、碳納米管、石墨烯、銀納米線中的一種或多種的組合。
[0031]上述的電子皮膚，支撐層I和敏感層2的整體厚度小于70 μ m，該超薄電子皮膚具備與人體皮膚相同的柔軟度，重量也很輕，可以直接與皮膚黏合。同時具有可穿戴性。
[0032]上述的電子皮膚的制作方法如下:
S1、制作可形成非平面結(jié)構(gòu)的模板
本實施例利用MEMS加工制造技術(shù)中的光刻、刻蝕等工藝制作出具有微結(jié)構(gòu)的模板(優(yōu)選4寸硅晶片)。先將硅晶圓表面進(jìn)行潔凈處理，再旋涂光刻膠、前烘、光刻、顯影、后烘，最后利用刻蝕將圖形轉(zhuǎn)移到硅晶圓，得到具有微結(jié)構(gòu)的模板，具體制備方法如下:<