[发明专利]一种气泡辅助产生微结构的蛋白凝胶柔性触觉传感器及其制备方法

说明书

本发明公开一种气泡辅助产生微结构的蛋白凝胶柔性触觉传感器及其制备方法，涉及具有微结构的蛋白凝胶的无模板制备和强化处理，包括气泡辅助生成微纳立体结构及气泡尺寸调控方法，所述蛋白凝胶具有可降解特性，能作为压力敏感介电层组装成灵敏的柔性触觉传感器。本发明所公开的蛋白凝胶柔性触觉传感器克服了传统柔性传感器材料不可降解、无法大面积快速制备微结构等缺点，减少了微结构的模板制备、倒模、剥离等工序，提供一种无模板、节能环保、低成本、可大面积快速产生微纳结构且可降解的蛋白凝胶柔性传感器制备方法。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种气泡辅助产生微结构的蛋白凝胶柔性触觉传感器及其制备方法。

背景技术

柔性传感是柔性电子的重要研究领域之一，具有可拉伸可弯曲、柔软轻薄的优点，因此广泛应用于生理信号监测、医疗器械以及可穿戴设备上。具有微结构的介电层是提高传感器灵敏度的有效的方法，一方面是因为微结构中存在许多空隙，在施加压力下可以为柔性材料提供较大的变形空间，这意味着两个电极之间的距离可以变化更大，从而在相同的压力下进一步增加电信号变化量；另一方面是因为柔性材料的介电常数高于空气，当受到压力时，空气被柔性材料介电质代替，导致电信号变化量相应增加，因此微结构可以显著提高传感器的灵敏度。用于提升性能的常见微结构如金字塔微锥、微槽以及微半球等，需要光刻、刻蚀等复杂耗时的微纳加工工艺，并且一般需要在硅片上制备金字塔微锥等微结构，制备面积受硅片大小限制，无法一次性大面积制备，同时使用模板法会因柔性材料在模板表面不容易剥离而造成表面微结构的破坏；多孔结构仍然存在孔隙分布不均匀、不可控的问题，极大地限制了传感器定制化应用。

由于具有生物降解性、生物相容性和环保性等特点，蛋清生物材料在有机电子学中的应用近年来受到相当重视。CN109705585B提供了一种高介电蛋清薄膜材料的制备方法以及可穿戴电子器件。该薄膜制备方法从禽蛋中提取出蛋清溶液，通过将三聚甘油、5,6-羟基二甲基、NaHCO3粉末和蛋清溶液逐一混合并多次烘干后冷却剥离，得到薄膜材料。虽然该发明采用成本低廉且可生物降解的禽蛋蛋清作为薄膜主要原料制得具有优异的介电性能的薄膜材料，然而制备过程复杂，使用材料较多且流程步骤繁杂，无法一次性大面积制备。CN109141693B公开了一种柔性压力传感器及其制备方法，包括上导电电极层、压力敏感电介层、下导电电极层，其中的压力敏感电介层可以在受到外界压力时，发生形变，导致电信号发生变化，在外界压力消除后，形变还原，中间产生的电学信号变化作为传感信号。虽然该发明压力传感器结构简单，但是不具备有效提高传感灵敏度的微结构，无法检测应用于人体生命体征的检测。CN109431460B公开了一种纳米纤维包芯纱应力传感器及其制备方法。采用高性能弹性长丝用作芯纱，通过共轭静电纺丝技术制备连续的纳米纤维包芯纱。通过原位液相聚合方法在包芯纱的壳层纳米纤维表面聚合包覆一层导电聚合物聚吡咯，最后在纱线表面涂覆一层带有导电铜丝的凝胶膜。虽然该发明获得应力传感器，并应用于可穿戴电子皮肤上，但是制备过程耗时长，对静电纺丝设备要求高，无法实现低成本大面积制备。CN111377742B发明为一种三维多孔六方氮化硼的无模板合成方法，由硼源和氮源压制成的三维前驱体直接高温裂解为宏观三维结构完整的多孔六方氮化硼，虽然该方法简单经济，产品孔隙率高且能在高、低温和酸、碱等极限条件下保持稳定性，但是不具备可用作灵敏传感器介电层的微纳立体结构，需要在高温加工环境下制备，无法满足节能环保的要求。

作为信号采集端，柔性传感器始终沿着更低的成本、更好的性能、更高效的工艺等方向发展，因此，需要开发一种无模板、节能环保、低成本、可大面积快速制备具有微纳结构且可降解的蛋白凝胶柔性传感器制备方法。

发明内容

针对目前柔性触觉传感器使用模板法制备微结构传感介电层存在工序复杂、耗时长、无法快速大面积快速制备等问题，本发明提供一种气泡辅助产生微结构的蛋白凝胶柔性触觉传感器及其制备方法，提出了采用无需模板的原位快速产生气泡铸造微纳立体结构的方法，可用于快速大面积制备灵敏传感介电层，进一步可组装成具有高灵敏度的柔性触觉传感器，工艺简单，成本低廉。

为实现此目的，本发明采用以下技术方案：