[0001] 本发明属于柔性电子及可穿戴器件领域，具体涉及一种含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器及其制备方法和应用。

[0002] 随着在当今快速发展的技术时代中，电子设备正朝向轻质化、柔性化以及功能多样化的趋势快速演进。集成电子组件已经广泛地应用于粘贴于人体表皮和覆盖在机器人外壳上，这使得它们能够有效跟踪运动并检测多种外部信号。电子皮肤(Electronic Skin)技术随着研究的深入，正在不断突破，以满足多样化且高度复杂的应用需求。至今，电子皮肤在传感领域已取得显著成就，尤其是在单一信号的检测能力方面。这种先进的技术能够单独识别接近传感、压力以及张力等多类环境信号。这类识别能力标志着电子皮肤在捕捉及分析周遭环境刺激方面迈出了重要步伐，预示着在未来机器人技术、假肢制造和医疗监控等诸多领域中的应用潜力。尽管取得重要进展，但电子皮肤技术仍面临显著挑战，特别是在信号识别的多功能性上。由于不同类型信号之间的相互干扰，现有电子设备的并行信号检测和区分能力受限。这项限制对于精确地监测和解释复杂环境中的多信号输入而言是一个明显的阻碍。

[0003] 在接触传感领域，常常利用电子器件的几何形状变化来感知机械变形，这种变化往往会在器件的电性能上体现，例如电阻或电容变化。此外，在非接触传感方面，接近传感技术已经在安全防护、无创医疗诊断和治疗等领域展示出广泛的应用潜力。因此，设计集成接触式和非接触式传感功能的电子器件，并减少不同信号之间的串扰对于促进柔性电子器件的发展具有重要意义。实现多参数柔性传感的关键在于开发能够将复合刺激信号转换为独立或相互关联输出信号的传感模块。具体而言，通过在单个像素单元内集成负电容接近传感器、正电容压力传感器和电阻式伸缩应变传感器，可以制备出类似于人类皮肤复杂触摸感知能力的柔性电子设备。

[0004] 针对上述问题，已有报道展示了几种可拉伸器件的策略。这些策略通常涉及将弹性体基底与能够展现出拉伸性能的导电材料结合起来。这些导电材料包括碳纳米管、液态金属或者纳米线等。然而，在实际应用中，不可避免地面临一些关键问题。导电层通常被沉积在弹性体基底的表面，由于重复的机械载荷下，如拉伸和弯折，导电层极易出现脱落或开裂问题。这不仅限制了器件的耐用性，而且还影响了其长期的性能稳定性。更进一步地，虽然采用单一类型的导电纳米材料在开发新型可拉伸电子器件方面具有一定的潜力，但这些材料很难兼具高导电性和良好的柔韧性。导电性强的材料可能缺乏足够的柔韧性以适应复杂的形状变化，而柔韧性好的材料又可能在导电性能上不够理想。因此，研制一种既具有优秀导电性能又能保持高度柔韧性的复合导电材料，不仅是一个巨大的挑战，也是一个重要的研究课题。

[0030] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的一种含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器及其制备方法和应用作具体阐述。

[0031] <实施例>

[0032] 图1是本发明的实施例的含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器的结构分解示意图；图2是本发明的实施例的含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器实际照片；图3是本发明的实施例的含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器的截面结构示意图。

[0033] 如图1～3所示，本实施例提供了一种含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器100，包括中间填充层10和复合功能电极20，其中，含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器100完全由柔性和可拉伸电极制备。

[0034] 中间填充层10为PDMS材质的膜状结构。

[0035] 复合功能电极20为Ti3C2Tx材质的3D空心MXene球和Ag NWs的复合材质，其中，Ag NWs由于其优异的导电性，为快速电子传递提供了主干收集电极，3D空心MXene球具有柔韧性，但导电性相对较差，通过填充Ag NWs网络主电极之间的纳米线空间，进一步提供了局部电子传递途径。复合功能电极20整体为若干嵌入于中间填充层10的两面的蛇形结构，其中，同一面的若干复合功能电极20互相平行，不同面的若干复合功能电极20互相垂直且不直接接触。

[0036] 图4是本发明的实施例的复合功能电极的平面结构示意图。

[0037] 如图4所示，本实施例中的复合功能电极20的蛇形结构的线宽w＝0.3mm，弧角θ＝270°，半径R＝1mm，归一化宽度ω*＝w/R＝0.3。蛇形结构的复合功能电极20具备良好的可延展性和适应性，能够适应复杂的机械形变，能够在伸展、弯曲乃至扭曲等多种机械应力下维持稳定的电性能，这对于开发高度柔性、可穿戴的电子设备尤为重要。

[0038] 图5是本发明的实施例的含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器的制备方法流程示意图。如图5所示，本实施例还提供了一种含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器的制备方法，用于制备本实施例中的含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器100，包括以下步骤：

[0039] S10，将带负电的Ti3C2Tx分散液与带正电的PS分散液混合并搅拌30min，在静电吸附力作用下自组装得到PS@Ti3C2Tx分散液。其中，控制Ti3C2Tx与PS的质量比为2：8。

[0040] S20，对PS@Ti3C2Tx分散液进行冷冻干燥制备得到PS@Ti3C2Tx复合粉体。

[0041] S30，将复合粉体置于管式炉中，于氩气氛围下，以5℃/min的升温速度升至500℃后加热2h去除PS模板，制备得到3D空心MXene球(3D空心Ti3C2Tx‑MXene球体)。本步骤可以有效避免MXene纳米片作为电极堆积导致的电导率不均匀问题。

[0042] 图6是本发明的实施例的3D空心MXene球的透射电子显微镜(TEM)图像。如图6所示，热处理后的TEM图像表明，PS模板已经完全去除，并且3D球形形貌可以很好的保持，这表明3D空心MXene球的制备已经完成。

[0043] S40，将3D空心MXene球和Ag NWs按1：3的质量比溶于水中得到导电墨水。

[0044] S50，将导电墨水喷涂在带有设定蛇形图案硬掩膜版的玻璃板上并干燥，随后移除硬掩膜版得到蛇形结构的复合功能电极20。

[0045] S60，将PDMS旋涂在玻璃板上并完全覆盖复合功能电极20，随后高真空(＜100Pa)处理2h即可得到单面嵌入有复合功能电极20的中间填充层10，记做可拉伸电极膜。

[0046] 图7是本发明的实施例的可拉伸电极膜的扫描电子显微镜(SEM)图像。如图7所示，展现了在真空力下将PDMS渗透到复合功能电极中而形成的嵌入共面结构。真空嵌入技术将杂化纳米复合材料(Ti3C2Tx材质的3D空心MXene球和Ag NWs的复合材质)完美地嵌入到PDMS基底内，进而得到了一种具有优异性能的MXene球/Ag NWs复合功能层，既有坚固的结构，又不失灵活性和应用的广泛性。

[0047] 图8是本发明的实施例的含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器的复合功能电极的能谱图。如图8所示，SEM的能量色散谱仪显示，Ti3C2Tx材质的3D空心MXene球和Ag NWs的复合材质的复合功能电极在PDMS中构建了有效的可渗透导体网络，其中Si元素表示PDMS，Ag元素表示Ag NWs，Ti元素表示3D空心MXene球。

[0048] 嵌入式可拉伸电极通过将导电材料嵌入到基底材料之中，创造出一个整体的复合结构，从而在本质上加强导电层与基底的结合。尽管导电油墨喷涂技术为柔性电极提供了有效的制造方案，但在实际应用中，这些导电层往往面临一个主要挑战，即当它们被沉积在可伸缩的基底材料上时，可能会因为反复机械应力，如拉伸、扭曲或挤压，而导致导电层与基底之间的分层现象，这会严重影响电极的持久性和电性能稳定性。因此，嵌入式可拉伸电极可以有效克服这一问题。嵌入式电极提供了一个内在的机械互锁，这种结构大大减少了因机械应力导致材料分层或断裂的风险，有效保障了电极在经受伸展和弯曲等变形时的完整性和导电性。

[0049] S70，将可拉伸电极膜固化后从玻璃板上剥离，随后两两背靠背依靠PDMS的高黏度拼接得到含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器100。

[0050] <测试例>

[0051] 本测试例采用阻抗分析仪(E4990A， )和SourceMeter(2450，)对实施例中的含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器100进行接近/压力传感性能以及应变传感性能测试，从而提供了一种含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器的应用。

[0052] 图9是本发明的测试例的含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器的近距离传感性能。

[0053] 本测试例中，将两面互相垂直的蛇形结构的复合功能电极作为电阻应变模块。如图9所示，(a)为3D空心MXene球/Ag NWS电极的法向和剪切拉伸方向的电阻变化ΔR/R，结果表明，剪切拉伸的ΔR/R基本保持不变，而法向拉伸的ΔR/R远大于剪切拉伸的ΔR/R，这是因为可拉伸电极(复合功能电极)的线宽(微米级)比其长度(毫米级)短得多，拉伸过程中线宽变化对电阻影响比长度小得多；(b)为不同应变状态ΔS下的ΔR/R结果，拟合曲线显示，该电阻应变模块的应变灵敏度GF高达55；(c)为电阻应变模块的均匀性测试结果，表明其初始电阻值基本相等。

[0054] 本测试例中，将两面互相垂直的蛇形结构的复合功能电极重叠导电部分与PDMS材质的中间填充层作为电容式压力传感模块；复合功能电极和靠近的手指或其他导体形成互电容非接触式传感模块。

[0055] 图10是本发明的测试例的含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器的压力传感性能。

[0056] 如图10所示，(a)为近感探测过程示意图。为了确定含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器100的接近传感能力，将两个交叉的嵌入式可拉伸电极(复合功能电极)通过PDMS膜背靠背固定，互电容非接触式传感模块的极板由上、下可拉伸电极的重叠部分组成。人手或金属充当在垂直方向上接近电子皮肤(即触觉传感器)的外部板，其中互电容非接触式传感模块的工作原理与电容的边缘场效应有关。上下极板存在电位差，产生的电场大部分分布在电极之间。电场的一小部分开始从高电势电极发散，并最终返回到低电势电极。穿过外部空间的这部分电场称为边缘场。随着接近物体与器件之间距离的减小或相互作用区域的增大，物体附近的边缘场增大，电容耦合变强，器件的电容响应增强；(b)为相对电容ΔC/C0随接近距离的变化。结果表明器件的ΔC/C0在初始状态下趋于零。相对电容变化的绝对值随着手靠近表面逐渐增大。

[0057] 图11是本发明的测试例的含有嵌入式可拉伸电极的多功能触觉传感器的皮肤接近感测和压力应变感测的演示结果。

[0058] 如图11所示，(a)为多功能触觉传感器多路检测原理图，作用在电子皮肤上的随机外力可以分解为剪切力、法向力和力点。通过电阻应变模块和电容式压力传感模块监测剪切力和法向力，从而获得外力的方向和大小。此外还可以获得非接触导体与器件之间的距离；(b)为多功能触觉传感器件多路检测原理。当电容变化ΔC＜0时，说明外部信号没有接触到传感器表面，反之当ΔC＞0时，表明刺激信号与传感器表面接触。然后，通过检测相对电阻ΔR的变化，得到激励信号作用于传感器表面的方向；(c)(d)(e)(f)为不同外部刺激的对比实验，分别为接近性、压力、压力‑应变、接近‑压力‑应变。(c)中，当外部刺激接近传感器时，ΔC/C0＜0，ΔR/R0＝0。(d)中，当外力垂直于传感器加载时，电容响应在Z方向对称。最大ΔC/C0表示外力大小。X方向和Y方向的电阻响应ΔR/R0对称，且最大值基本一致。(e)中，当外力方向改变时，上下可拉伸电极(复合功能电极)的结果不一致。通过比较应变/压力的响应结果，可以获得外力方向的总体趋势。

[0059] 如图11所示，当不同类型(接近、压力和应变)的刺激在设备上共同作用时，通过监测ΔC/C0(ΔC＞0为压力电容响应，ΔC＜0为接近电容响应)和ΔR/R0(应变信号响应)的各自响应，可以获得全面的触觉信息。

[0060] 本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。