郑州大学郑国强教授CEJ：柔性微图案阵列的多功能互锁电子皮肤的简易制造方法

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基于柔性压阻传感器的电子皮肤（e-skin）被认为是未来可穿戴电子设备最重要的组件之一，其性能可通过改变图案表面的微结构来显着提高。然而，大多数表面图案化的制造方法通常新颖性差并且制造工艺复杂。

郑州大学郑国强教授课题组在国际期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Multifunctional interlocked e-skin based on elastic micropattern array facilely prepared by hot-air-gun”的研究论文。

本文要点：

本文提出了一种简单有效的方法，即热风枪辅助制备方法，该方法可以在单壁碳纳米管（SWCNTs）/热塑性聚氨酯（TPU）薄膜上直接制备准半球形微图案阵列。

互锁的微图案可以大大改善基于这种微图案膜的电子皮肤的传感性能，使其具有非常快的响应时间（<46 ms）、宽广的工作范围（0.055-254.8 kPa）和出色的耐用性（> 20000个周期）。

有趣的是，互锁的电子皮肤具有多功能性，可以同时区分压力-温度刺激。此外，它可以监视各种人类生理信号（例如脉搏波形、语音识别和人类呼吸行为），表明在人机交互中的应用前景广阔。此外，可以将准备好的互锁皮肤连接到无线发射器，以无线监测呼吸频率。

考虑到简便的制备过程和低成本的原料，可以轻松地将该方法扩展到实际生产中。

图1.（a）互锁电子皮肤的制造过程示意图。

（b）一卷STM-3的照片。

（c）STM-3的SEM图像和（d）其相应的放大图像。

（e）STM-3的横截面SEM图像。

显示互锁电子皮肤特征的照片：（f）超薄、（g）超轻和（h）超柔韧性。

图2.（a）STM-2、（b）STM-3和（c）STM-6的SEM图像。

（d-f）分别对应于（a-c）的微图案的3D图像。

（g-i）对应的z高度轮廓，如（d-f）中的虚线所示。

图3.（a）三种类型电子皮肤的电阻变化率与压力的关系。

（b）装卸红豆（0.13克）时的电阻变化率。

（c）响应和恢复时间。

（d）有限元模拟显示接触表面上的局部应力分布。

（e）电阻变化率与不同的外部压力的关系。

（f）在从0到222.93 kPa，然后回到0 kPa的不同阶跃压力下的电阻变化率；在每个给定压力下保持100 s。

（g）在63.7 kPa下在不同频率下的输出信号。

（h）在20000次加载/卸载循环下，在0.05 Hz的频率下的63.7 kPa以下的耐久性。

图4.（a）电阻变化率与温度之间的关系。

（b）在30到70^oC的步进温度下电阻变化率，并且在每个预设温度下保持3分钟。

（c）在反复加热/冷却循环下电阻变化率与温度的关系。

（d）在20 g相同负载下的感测温度变化。

（e）拟合t与温度之间的关系。

（f）同时检测温度-压力变化。

图5.（a）生理监测部位示意图。

（b）附着在人脖子上的联锁电子皮肤，用于语音监视。

在（c）肱臂、（d）胫骨和（e）指尖处测量的脉搏波形。

（f）显示抓握（左）/松开（右）杯的图像。

（g）同时区分压力-温度。

（h）人体呼吸监测；插图是对手机无线接收的呼吸频率的相应实时感应响应。

原文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127960

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