一种电子皮肤及其制备方法

1.本发明涉及电子皮肤技术领域，尤其涉及一种电子皮肤及其制备方法。


背景技术：

2.随着智能机器人的快速发展，带有不同感知功能的柔性电子皮肤成为了未来智能机器人与环境交互的重要入口。机器人或者伤残人士在特定部位贴附人工电子皮肤可以实现与人体皮肤一样的感知能力。为了进一步接近人类皮肤的功能特点，柔性电子皮肤在获得触觉感知的基础上，还集成了压力、温度、应变等多种传感功能。其中，压力和温度是最常见的两种刺激。然而，现在单一电子皮肤上实现多功能感知大多存在复杂的制造过程、信号干扰严重以及需要外部持续供电等弊端，这极大地限制了其实际应用。
3.摩擦电效应、压电效应以及热电效应可以将外部刺激(例如压力、温度)等物理信号实时转换为电信号输出，无需任何外部能源供电，为零功耗电子皮肤提供了解决方案。然而，现有的多功能电子皮肤都严重依赖于后端算法来实现复杂传感信号的解耦和冗余的信号处理，大大增加了整个人工皮肤系统的能耗。目前的柔性电力单元还不足以完全解决电子皮肤对柔性、超薄、生物相容性与能源可持续性的要求。因此，多功能电子皮肤不同传感信号的有效分离以及相应的能源可持续性是未来多功能电子皮肤类可穿戴设备的进一步发展的前提。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的在于实现电子皮肤中压力信号和温度信号的有效分离，同时提供一种无需外界供电即可进行信号检测的电子皮肤。
5.本发明的一个进一步的目的在于提高压力信号检测的灵敏度。
6.特别地，本发明提供了一种电子皮肤，由下至上依次包括基底层、电极层、第一摩擦层、第二摩擦层、热电薄膜层和封装层；
7.所述电极层、所述第一摩擦层、所述第二摩擦层和所述热电薄膜层共同组成压力传感元件，所述热电薄膜层作为所述压力传感器的另一电极，所述压力传感元件设置成在所述电子皮肤受到外界压力时通过所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的摩擦电效应在所述电极层和所述热电薄膜层之间产生电势差，从而检测出外界压力；
8.所述热电薄膜层被划分为两个部分，所述热电薄膜层设置成在所述电子皮肤与外界物体接触时所述两个部分之间存在温度差异，从而使所述两个部分之间存在电压差，进而检测出外界温度。
9.可选地，所述压力传感元件设置成在所述电子皮肤受到外界压力时所述第一摩擦层和所述第二摩擦层之间的接触面积发生变化，从而在所述电极层和所述热电薄膜层之间产生电势差。
10.可选地，所述第一摩擦层的朝向所述第二摩擦层的表面具有多个突起；
11.每个所述突起均构造成具有尖端部，所述尖端部朝向所述第二摩擦层；
12.所述电子皮肤设置成在不受外界压力时所述第一摩擦层的所述尖端部与所述第二摩擦层接触，在受到外界压力时所述第一摩擦层的所述突起发生变形从而使所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的接触面积增大，进而在所述电极层和所述热电薄膜层之间产生电势差。
13.可选地，所述热电薄膜层的其中一个部分为金属膜，另一部分为热电材料膜。
14.可选地，所述热电材料膜的材料为导电聚合物和碳纳米材料的混合材料。
15.可选地，所述导电聚合物为聚3,4-乙烯二氧噻吩(pedot：pss)、苯胺(pani)、聚吡咯(ppy)和聚3-己基聚噻吩(p3ht)。
16.所述碳纳米材料为碳纳米管或石墨烯。
17.可选地，所述基底层和所述第二摩擦层的材料均为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚苯乙烯或聚酰亚胺；
18.所述电极层的材料为氧化铟锡或磁控溅射用金属材料；
19.所述第一摩擦层和所述封装层的材料均为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶等。
20.可选地，所述电子皮肤还包括静电屏蔽层，所述静电屏蔽层位于所述封装层的上表面。
21.可选地，所述静电屏蔽层的材料为金属材料。
22.特别地，本发明还提供了一种如前述的电子皮肤的制备方法，包括如下步骤：
23.在基底层上由下至上依次形成电极层、第一摩擦层、第二摩擦层、热电薄膜层和封装层；
24.所述电极层、所述第一摩擦层、所述第二摩擦层和所述热电薄膜层共同组成压力传感元件，所述热电薄膜层作为所述压力传感器的另一电极，所述压力传感元件设置成在所述电子皮肤受到外界压力时通过所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的摩擦电效应在所述电极层和所述热电薄膜层之间产生电势差，从而检测出外界压力；
25.所述热电薄膜层被划分为两个部分，所述热电薄膜层设置成在所述电子皮肤与外界物体接触时所述两个部分之间存在温度差异，从而使所述两个部分之间存在电压差，进而检测出外界温度。
26.根据本发明实施例的方案，提供了一种基于耦合摩擦电和热电效应的柔性自供电温度-压力集成的电子皮肤，即该电子皮肤无需外界供电即可实现温度和压力的检测，并且温度检测信号和压力检测信号是完全独立的，可以有效分离。该电子皮肤由基于摩擦纳米发电机的柔性压力传感器和柔性的热电薄膜层组成，同时，由于一体化的结构设计，压力传感和温度传感实现了物理层面信号的独立分离，避免了不同传感信号混合后复杂的解耦过程。综上，该实施例的重要发明点之一在于，无需外界供电的前提下实现了温度信号和压力信号的分离与检测，这是由上述一体化的结构设计实现的效果。
27.根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
28.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些
附图未必是按比例绘制的。附图中：
29.图1示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤示意性结构图；
30.图2示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤的另一示意性分解图；
31.图3示出了根据本发明一个实施例的热电薄膜层的工作原理图；
32.图4示出了根据本发明一个实施例的压力传感元件的机理图；
33.图5示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤对垂直施加的不同压力的电响应曲线；
34.图6示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤的压力灵敏度曲线；
35.图7示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在受到外界压力时的响应和恢复时间曲线图；
36.图8示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤对不同温度梯度的电响应曲线图；
37.图9示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤的温度传感的灵敏度曲线图；
38.图10示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤的温度响应和恢复时间曲线图；
39.图11示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在10k温差时测试压力的灵敏度曲线图；
40.图12示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在20k温差时测试压力的灵敏度曲线图；
41.图13示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在30k温差时测试压力的灵敏度曲线图；
42.图14示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在0-100kpa的压力下在不同温差条件下热电电压输出曲线图；
43.图15示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在高温下的传感性能曲线图；
44.图16示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤对低温的响应性能曲线图；
45.图17示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在不同滴数的水滴作用下的响应曲线图；
46.图18示出了将电子皮肤附在手指关节处后手指弯曲30
°
、45
°
、90
°
的照片以及对应的输出性能曲线图；
47.图19示出了示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在25kpa的压力下原始状态以及循环1500次和3000次后的输出性能曲线图；
48.图20示出了根据本发明一个实施例的没有设置静电屏蔽层的电子皮肤的电输出曲线；
49.图21示出了根据本发明一个实施例的设置有静电屏蔽层的电子皮肤的电输出曲线。
具体实施方式
50.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神
下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
51.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的结构而非按照实际实施时的结构数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各结构的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其结构布局型态也可能更为复杂。
52.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
53.图1示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤示意性结构图。图2示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤的另一示意性分解图。如图1和图2所示，该电子皮肤由下至上依次包括基底层1、电极层2、第一摩擦层3、第二摩擦层4、热电薄膜层5和封装层6。该电极层2、第一摩擦层3、第二摩擦层4和热电薄膜层5共同组成压力传感元件，热电薄膜层5作为压力传感器的另一电极，压力传感元件设置成在电子皮肤受到外界压力时通过第一摩擦层3和第二摩擦层4的摩擦电效应在电极层2和热电薄膜层5之间产生电势差，从而检测出外界压力。该热电薄膜层5被划分为两个部分，热电薄膜层5设置成在电子皮肤与外界物体接触时两个部分之间存在温度差异，从而使两个部分之间存在电压差，进而检测出外界温度。该实施例中，该电子皮肤中各个层的材料均选择为柔性材料，以使电子皮肤为柔性的。
54.根据本发明实施例的方案，提供了一种基于耦合摩擦电和热电效应的柔性自供电温度-压力集成的电子皮肤，即该电子皮肤无需外界供电即可实现温度和压力的检测，并且温度检测信号和压力检测信号是完全独立的，可以有效分离。该电子皮肤由基于摩擦纳米发电机的柔性压力传感器和柔性的热电薄膜层组成，同时，由于一体化的结构设计，压力传感和温度传感实现了物理层面信号的独立分离，避免了不同传感信号混合后复杂的解耦过程。综上，该实施例的重要发明点之一在于，无需外界供电的前提下实现了温度信号和压力信号的分离与检测，这是由上述一体化的结构设计实现的效果。
55.该压力传感元件设置成在电子皮肤受到外界压力时第一摩擦层和第二摩擦层之间的接触面积发生变化，从而在电极层和热电薄膜层之间产生电势差。该第一摩擦层和第二摩擦层在受力时接触面积发生改变的结构形式可以有多种，本发明实施例提供了一种灵敏度极高的结构，如图1和图2所示，该第一摩擦层的朝向第二摩擦层的表面具有多个突起，每个突起均构造成具有尖端部，该尖端部朝向第二摩擦层。该电子皮肤设置成在不受外界压力时第一摩擦层的尖端部与第二摩擦层接触，在受到外界压力时第一摩擦层的突起发生变形从而使第一摩擦层和第二摩擦层的接触面积增大，进而在电极层和热电薄膜层之间产生电势差。该尖端部的尖锐程度以及第一摩擦层上突起的密集程度可以根据实际需要进行构造。在一个实施例中，该第一摩擦层的材料例如可以为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、氯丁橡胶等。该第二摩擦层的材料例如可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚苯乙烯、聚酰亚胺(kapton)等。选择该第二摩擦层的材料时，需要选择柔性的材料，且既可以作为摩擦层，又可以作为热电薄膜层的基底的材料。
56.该热电薄膜层的其中一个部分为金属膜，另一部分为热电材料膜。该热电材料膜的材料为导电聚合物和碳纳米材料的混合材料。该热电薄膜层的材料选择时需要使其既可
以作为压力传感元件的电极，又可以用来作为传感元件检测温度且不影响传感性能。该电子皮肤中各个层的材料选择上需要相互配合，共同实现同一目的。在一个优选的实施例中，选择的压力传感元件的内阻巨大，甚至达到gω级别，热电偶膜的电阻只有mω级别，且电极层的电阻远小于整个器件的内阻，同时热电薄膜层的电阻值在同一数量级内变化较小，从而可以实现热电薄膜层既可以作为压力传感元件的电极，又可以用来作为传感元件检测温度且不影响传感性能。
57.该热电薄膜层的热电转换效率由热电品质因数(zt)决定，其公式为：
58.zt＝s2σt/k
59.其中，s是塞贝克系数，σ是电导率，t是开尔文温度，k是热导率。为选择合适的材料，发明人进行了大量的实验，确定出一些可以选择的材料，例如为导电聚合物和碳纳米材料的混合材料。其中，热电薄膜层的导电聚合物可以为聚3,4-乙烯二氧噻吩(pedot：pss)、苯胺(pani)、聚吡咯(ppy)和聚3-己基聚噻吩(p3ht)等，碳纳米材料例如可以为多壁、单壁碳纳米管或石墨烯。
60.该电极层的材料例如可以为氧化铟锡或磁控溅射用金属材料，该磁控溅射用金属材料例如可以为金、铝、银或铜。该基底层的材料例如可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚苯乙烯、聚酰亚胺(kapton)。该封装层的材料例如可以为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶等高分子薄膜。
61.在一个实施例中，该电子皮肤还包括静电屏蔽层7，该静电屏蔽层7位于封装层6的上表面。该静电屏蔽层7的材料为金属材料，该金属材料例如可以为铜、金、铝、银等导电性较好的金属。
62.特别地，本发明还提供了一种前述实施例的电子皮肤的制备方法，包括如下步骤：在基底层1上由下至上依次形成电极层2、第一摩擦层3、第二摩擦层4、热电薄膜层5和封装层6。该制备方法中的特征与前述电子皮肤中的特征一一对应，此处不再赘述。在一个实施例中，该电子皮肤还包括形成于封装层6的上表面的静电屏蔽层7。该静电屏蔽层7接地。
63.在一个实施例中，第一摩擦层的制备方法包括如下步骤：将亚克力板材切割成预设大小，如2*4cm；将用来构筑微结构模具的激光切割机的功率设定为10-15w，将脱模剂喷在多孔模具表面；将预先配制好的pdms(固化剂与基体1:10)或ecoflex、硅胶等弹性体溶液旋涂在模具表面(例如转速为400-600r)，放入燥箱烘干；取出后浸泡在酒精中一定时间，剥离后得到带有微结构(突起)的第一摩擦层。
64.在一个实施例中，热电薄膜层的制备方法包括如下步骤：
65.1)将碳纳米材料与表面活性剂(如十二烷基苯磺酸钠)混合分散在去离子水中，超声分散团聚的碳纳米材料；
66.2)将导电聚合物(如pedot：pss)与分散好的碳纳米材料溶液混合，并加入极性溶剂(如dmso二甲基亚砜)，磁力搅拌一定时间后形成混合物溶液；
67.3)使用激光切割机将第二摩擦层切割为预设大小，如2*4cm，均分为左右两部分，在右部使用掩膜版的情况下进行磁控溅射(功率50-100w，气压1-2pa，时间20-40mins)，使得左半部分镀上金属膜，如铜膜；
68.4)去除掩膜版，在右部涂布步骤2)获得的混合溶液；
69.5)放入烘箱中退火，从而获得热电薄膜层。
70.图2中，在热电薄膜层和电极层之间引出导线，且连接电压表，同时，在静电薄膜层的两端分别引出两根导线，并外接电压表。由图2可知温度传感信号和压力传感信号分离的基本原理。热电薄膜层因温度变化产生水平方向的电位差，基于摩擦电的压力传感元件因垂直方向的力产生电压信号。通过监测不同方向的电压输出，可以实现压力和温度的实时变化。
71.直接区分温度和压力传感信号的方法避免了传统多功能传感器复杂的解耦过程。因为温度传感信号和压力传感信号实现了物理上的独立。不再需要开发复杂的算法，因此机器可以直接收集和利用传感信号。此外，由于热电电压高达mv级，放大电路可直接用于后端电路信号的采集。
72.图3示出了根据本发明一个实施例的热电薄膜层的工作原理图。在该实施例中，热电薄膜层的其中一部分材料选择为pedot-pss和碳纳米管的混合材料，另一部分材料为铜。根据塞贝克效应：
[0073]vthermo
＝s
×
δt
[0074]
其中s和δt分别是塞贝克系数和温度梯度。当暴露于外部热源时，热电薄膜层可以有效地将热能转化为电能。设备与物体之间的温差通过热电效应产生塞贝克电压，因此电子皮肤可以以恒定的参考温度感应皮肤等目标的表面温度。
[0075]
图4示出了根据本发明一个实施例的压力传感元件的机理图。如图4所示，在初始状态下，具有表面微结构(突起)的第一摩擦层作为正摩擦电层与负摩擦电层(第二摩擦层)接触。由于摩擦起电效应引起的转移电荷，第一摩擦层和第二摩擦层分别具有正电荷和负电荷。另外，在静电感应的作用下，上下电极(热电薄膜层和电极层)分别产生负电荷和正电荷，但这种电荷转移过程只存在于组装过程中。当对设备施加压力时，设备会因压力而产生微小的变形，这主要体现在表面的微观结构上。随着表面结构的压缩，摩擦起电材料的接触面积显着增加，从而加强摩擦起电效应，带来更多的电荷。随着静电感应产生的感应电荷进一步增加，器件上下板之间产生电位差。开路电压(v)与外加压力成线性关系，因此可以通过开路电压监测压力变化，开路电压与摩擦电材料的接触面积有关。在第一摩擦层的突起选择为锥形微结构时，一般来说，锥形微结构的接触面积变化率在低压区较高。外部压力的增加迫使第二摩擦层挤压锥形微结构的底部。由于接触面积的变化率很小，器件的开路电压趋于饱和。因此，高压区的灵敏度一般明显低于低压区。当施加的外力撤退时，接触材料相互分离，摩擦电荷会在上下表面产生感应电位差，其中分离产生的开路电压为v
oc
。值得一提的是，热电薄膜层和封装层在外加电荷的影响下，很容易形成纳米发电机的单电极模式，严重干扰温度信号的监测。
[0076]
为了监测电子皮肤的温度传感性能，构建了一种自制的半导体加热装置。为了测试压力传感元件的性能，使用步进电机向设备施加周期性力，固定在步进电机上的测力计可以实时测量施加的压力。
[0077]
图5示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤对垂直施加的不同压力的电响应曲线。由图5可知，当最小压力为1pa时，电子皮肤仍然接收到电压响应。当施加93kpa的力时，实时输出电压可以达到35v左右。当施加的力较大时，电压输出设备饱和。
[0078]
图6示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤的压力灵敏度曲线。由图6可知，电子皮肤的灵敏度曲线主要分为两部分。在1pa-2kpa的低压区，压力传感的灵敏度可以达到
1.394v/kpa。在2kpa-100kpa的高压区，压力传感的灵敏度可以达到0.379v/kpa。高灵敏度和宽压力检测范围的原因主要是由于摩擦电层表面的微观结构。由于杨氏模量小，圆锥形显微组织在小压力下容易产生大变形。当对电子皮肤表面施加测试压力时，摩擦电层之间的间隙会减小，电子皮肤的电压输出会随着第一摩擦层和第二摩擦层接触面积的增加而提高。
[0079]
图7示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在受到外界压力时的响应和恢复时间曲线图。由图7可知，压力传感元件的响应和恢复时间非常快，响应时间为57.6ms，恢复时间为60.3ms。
[0080]
图8示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤对不同温度梯度的电响应曲线图。由图8可知，热电薄膜有效地将外部物体的热能转换为电能，当温度梯度达到60k时，热电薄膜的输出达到最大值，约为15mv。热电电压饱和的原因是热电薄膜的热载流子浓度在较高温度下达到最大值。特别是当测试温度保持在固定温度时，相应的热电输出也呈现出水平梯形，说明柔性热电薄膜可以测量动态温度和静态温度。图9示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤的温度传感的灵敏度曲线图。由图9可知，在270k-360k温度范围内，传感器具有良好的线性度，灵敏度可达220μv/k。图10示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤的温度响应和恢复时间曲线图。由图10可知，电子皮肤对温度的响应时间为1.8秒，恢复时间为4.2秒。
[0081]
在多功能电子皮肤中，同时对不同的刺激做出反应是非常重要的，但不同的刺激往往会相互干扰，解决干扰也是推动柔性电子皮肤发展的核心问题。本发明实施例测量了温度-压力集成的电子皮肤在不同温度刺激下的压力传感性能。图11示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在10k温差时测试压力的灵敏度曲线图。由图11可知，电子皮肤具有10k温差时，压力传感元件的灵敏度分别为1.397v/kpa和0.37v/kpa。图12示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在20k温差时测试压力的灵敏度曲线图。由图12可知，当器件当温差增加到20k时，压力传感元件的灵敏度分别为1.364v/kpa和0.384v/kpa。图13示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在30k温差时测试压力的灵敏度曲线图。由图13可知，当温差增加到30k时，压力传感元件的灵敏度分别为1.386v/kpa和0.376v/kpa。可以看出，在不同的温度刺激条件下，电子皮肤的压力感应部分仍保持良好的稳定性，说明温度变化不会干扰压力传感器的正常工作。
[0082]
除了测量不同温度刺激下的压力传感稳定性外，还验证了不同压力下的温度传感的稳定性。图14示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在0-100kpa的压力下在不同温差条件下热电电压输出曲线图。由图14可知，电子皮肤的热电电压输出保持不变，说明对电子皮肤施加压力不会干扰温度传感器的正常工作。
[0083]
图15示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在高温下的传感性能曲线图。由图15可知，该电子皮肤在相同温度下具有良好的传感性能一致性。图16示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤对低温的响应性能曲线图。由图16可知，随着温差由正变负，热电电压值也变为负值，仍具有良好的一致性。由图9可知，电子皮肤对室温(t＝300k)的响应约为2mv，对高温(t＝360k)的响应约为15mv。
[0084]
该装置不仅具有高压传感灵敏度，而且能够检测小压力。图17示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在不同滴数的水滴作用下的响应曲线图。由图17可知，在电子皮肤
的表面滴加液滴时，压力传感器将产生约0.1v的摩擦电压输出。随着更多液滴添加到器件表面，压力传感器的输出逐步增加。图18示出了将电子皮肤附在手指关节处后手指弯曲30
°
、45
°
、90
°
的照片以及对应的输出性能曲线图。由图18可知，随着弯曲角度变大，器件的输出也会增加。
[0085]
除了灵敏度、响应时间、恢复时间和一致性之外，稳定性是传感器性能指标最重要的指标之一。图19示出了示出了根据本发明一个实施例的电子皮肤在25kpa的压力下原始状态以及循环1500次和3000次后的输出性能曲线图。由图19可知，电子皮肤在循环3000次后输出保持稳定。
[0086]
此外，为了验证静电屏蔽层对电子皮肤电输出性能的影响，发明人做了对比试验，从图20以看出，没有静电屏蔽层的器件在手指触摸下的电输出高达600mv。通过在器件上沉积接地的静电屏蔽层，从图21可以看出有效地消除这种外部干扰电荷的影响。
[0087]
因此，本发明实施例的方案结合了摩擦电和热电效应，可以同时感知温度和压力刺激并将它们转换为两个独立的电压信号。同时施加温度和压力时，可实现高温度传感灵敏度(220μv/k)和卓越的压力传感灵敏度。此外，水平方向的热电薄膜对温度敏感，而自供电的压力传感元件对垂直方向的压力有很大的敏感性，器件结构的创新设计可实现温度和压力传感信号的分离，无需开发额外的算法或进行复杂的解耦计算。更重要的是，所有这些传感功能都可以在没有外部电源的情况下实现，并保持良好的稳定性。
[0088]
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明常用理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

技术特征：
1.一种电子皮肤，其特征在于，由下至上依次包括基底层、电极层、第一摩擦层、第二摩擦层、热电薄膜层和封装层；所述电极层、所述第一摩擦层、所述第二摩擦层和所述热电薄膜层共同组成压力传感元件，所述热电薄膜层作为所述压力传感器的另一电极，所述压力传感元件设置成在所述电子皮肤受到外界压力时通过所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的摩擦电效应在所述电极层和所述热电薄膜层之间产生电势差，从而检测出外界压力；所述热电薄膜层被划分为两个部分，所述热电薄膜层设置成在所述电子皮肤与外界物体接触时所述两个部分之间存在温度差异，从而使所述两个部分之间存在电压差，进而检测出外界温度。2.根据权利要求1所述的电子皮肤，其特征在于，所述压力传感元件设置成在所述电子皮肤受到外界压力时所述第一摩擦层和所述第二摩擦层之间的接触面积发生变化，从而在所述电极层和所述热电薄膜层之间产生电势差。3.根据权利要求2所述的电子皮肤，其特征在于，所述第一摩擦层的朝向所述第二摩擦层的表面具有多个突起；每个所述突起均构造成具有尖端部，所述尖端部朝向所述第二摩擦层；所述电子皮肤设置成在不受外界压力时所述第一摩擦层的所述尖端部与所述第二摩擦层接触，在受到外界压力时所述第一摩擦层的所述突起发生变形从而使所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的接触面积增大，进而在所述电极层和所述热电薄膜层之间产生电势差。4.根据权利要求1-3中任一项所述的电子皮肤，其特征在于，所述热电薄膜层的其中一个部分为金属膜，另一部分为热电材料膜。5.根据权利要求4所述的电子皮肤，其特征在于，所述热电材料膜的材料为导电聚合物和碳纳米材料的混合材料。6.根据权利要求5所述的电子皮肤，其特征在于，所述导电聚合物为聚3,4-乙烯二氧噻吩、苯胺、聚吡咯和聚3-己基聚噻吩。所述碳纳米材料为碳纳米管或石墨烯。7.根据权利要求1-3、5-6中任一项所述的电子皮肤，其特征在于，所述基底层和所述第二摩擦层的材料均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯或聚酰亚胺；所述电极层的材料为氧化铟锡或磁控溅射用金属材料；所述第一摩擦层和所述封装层的材料均为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶。8.根据权利要求1-3、5-6中任一项所述的电子皮肤，其特征在于，还包括静电屏蔽层，所述静电屏蔽层位于所述封装层的上表面。9.根据权利要求8所述的电子皮肤，其特征在于，所述静电屏蔽层的材料为金属材料。10.一种如权利要求1-9中任一项所述的电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在基底层上由下至上依次形成电极层、第一摩擦层、第二摩擦层、热电薄膜层和封装层；所述电极层、所述第一摩擦层、所述第二摩擦层和所述热电薄膜层共同组成压力传感元件，所述热电薄膜层作为所述压力传感器的另一电极，所述压力传感元件设置成在所述
电子皮肤受到外界压力时通过所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的摩擦电效应在所述电极层和所述热电薄膜层之间产生电势差，从而检测出外界压力；所述热电薄膜层被划分为两个部分，所述热电薄膜层设置成在所述电子皮肤与外界物体接触时所述两个部分之间存在温度差异，从而使所述两个部分之间存在电压差，进而检测出外界温度。

技术总结
本发明提供了一种电子皮肤及其制备方法。该电子皮肤由下至上依次包括基底层、电极层、第一摩擦层、第二摩擦层、热电薄膜层和封装层；电极层、第一摩擦层、第二摩擦层和热电薄膜层共同组成压力传感元件，热电薄膜层作为压力传感器的另一电极，压力传感元件设置成在电子皮肤受到外界压力时通过第一摩擦层和第二摩擦层的摩擦电效应在电极层和热电薄膜层之间产生电势差；热电薄膜层被划分为两个部分，热电薄膜层设置成在电子皮肤与外界物体接触时两个部分之间存在温度差异，从而使两个部分之间存在电压差，进而检测出外界温度。本发明实施例提供了一种无需外界供电即可进行信号检测的电子皮肤，且实现压力信号和温度信号的有效分离。分离。分离。


技术研发人员：文震 孙旭辉 陈云峰
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2022.01.29
技术公布日：2023/8/16