一种自供电温度传感电子皮肤及其制备方法

本发明属于自供电温度传感领域，具体涉及一种自供电温度传感电子皮肤及其制备方法。

背景技术：

1、皮肤作为人体的重要组成部分，具有准确感知温度、压力、湿度等外界刺激的能力，被认为是极其强大的天然传感系统。近年来，随着柔性电子及可穿戴技术的发展，具有与人体皮肤功能相似的电子皮肤(e-skin)成为一大研究热点。作为新型的可穿戴传感器，电子皮肤轻薄、柔软、可拉伸，能够迅速感知并准确判断各种刺激，在医疗监测、智能机器人、人机交互等领域有潜在的应用价值。

2、然而，现有电子皮肤大多依靠外部设备或能量有限的电池供电，前者体积大、重量大，而后者需频繁更换以满足连续服役的需求，并且存在电池污染，这使电子皮肤的实际应用受限。因此，亟需开发具有自供电功能的电子皮肤(stes)。目前已发展的自供电技术有摩擦电、压电、热电等，其中热电技术可以在无机械运动部件的情况下产生直流电，在自供电方面有很大优势。并且，由热电技术衍生的热电发电器件(teg)可以基于热电材料的seebeck效应，将温度刺激直接转化为电信号，实现自供电和高可靠的温度传感功能，在温度传感stes领域有广阔的应用前景。

3、在基于teg的温度传感stes的研究中，在柔性、灵敏度以及微小区域感知的兼顾上仍面临诸多挑战。尽管基于有机热电材料的teg具有较高柔性(例如：聚吡咯(ppy),聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(pedot)等)，但因材料较低的热电性能，由此制备的stes灵敏度普遍较低。

4、基于热电性能优异的无机热电材料的teg虽具有良好的温度传感性能(例如：bite基合金)，但因其不具备柔性，使其在电子皮肤中的应用受限。迄今为止，诸多技术方案致力于实现单个无机teg的柔性化。例如，采用柔性聚合物(例如：聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚酰亚胺(pi)等)代替传统陶瓷基板来制备无机面外型teg以满足柔性要求。但由于这些聚合物和刚性材料的模量不匹配，很容易在弯曲过程中造成器件界面连接处失效，热接触不良，影响器件的柔性和传感性能。通过岛桥结构实现单个无机热电器件的柔性化是另一种方式。器件内部p、n热电臂之间的柔性化连接可以通过本身具有柔性的导电材料(如液态金属、银纳米线和导电聚酯纤维)或者具有蛇形结构的导电材料实现。但在器件形变的过程中，这种内部的连接方式会进一步影响器件的传感精度与稳定性。此外，利用弹性体在器件内部的封装也可提升单个teg的柔性。但弹性体封装会影响器件的传热性能，从而进一步影响测温精度和响应速度。最重要的是，现有技术方案所制备的柔性teg相对较大并且未能实现多个器件间的有效柔性互连，无法实现stes的高空间分辨率的阵列式感知功能。

5、因此，迫切需要开发一种实现多个刚性teg间柔性互连、且具有高性能与高分辨率的stes制备方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种自供电温度传感电子皮肤，该自供电温度传感电子皮肤能够实现刚性teg互连的，且具有高性能和高分辨率的自供电温度传感电子皮肤。

2、本发明提供了一种自供电温度传感电子皮肤，包括：

3、柔性衬底；

4、微型刚性热电器件阵列，所述微型刚性热电器件阵列的底表面与柔性衬底的顶表面通过化学键交联，使得微型刚性热电器件阵列具有柔性，所述微型刚性热电器件阵列用于将接收到的热量转换为电流；

5、和柔性导线，所述柔性导线与每个微型刚性热电器件对准焊接使得每个微型刚性热电器件柔性互连，所述柔性导线还用于将通过微型刚性热电器件阵列转换得到的电流导出。

6、本发明通过在柔性衬底上化学交联微型刚性热电器件阵列，实现了刚性无机热器件与柔性衬底相结合，不破坏单个刚性无机热器件性能的前提下实现了自供电温度传感器电子皮肤的较高柔性，又由于具有较高灵敏度的微型刚性热电件的阵列排布从而具有较高的空间分辨率。

7、进一步的，所述每个微型刚性热电器件包括热电臂单元，所述热电臂单元用于将接收到的热量转换为电流。

8、进一步的，所述热电臂单元由n型热电臂和p型热电臂组成，所述n型热电臂和p型热电臂的厚度均为100μm～1000μm，所述热电臂单元的占空比为30％～70％。

9、进一步的，所述热电臂单元的材料为热电材料。

10、进一步的，所述热电材料包括bite基热电材料、gete基热电材料或snse基热电材料。

11、进一步的，所述微型刚性热电器件，还包括：

12、下基板，所述下基板的底表面与柔性衬底的顶表面通过化学键交联；

13、下电极，所述下电极设置在下基板上，所述下电极与热电臂单元相贴合，所述下电极与柔性导线对准焊接，所述下电极用于将收集到的电流输出至柔性导线；

14、上电极，所述上电极设置于热电臂单元上；

15、和上基板，所述上基板设置在上电极上。

16、进一步的，所通过以下方式使得所述微型刚性热电器件阵列的底表面与柔性衬底的顶表面通过化学键交联，包括：

17、所述柔性衬底为含-ho官能团的柔性聚合物，所述微型刚性热电器件阵列的下基板也含有-ho官能团，将微型刚性热电器件阵列的下基板放入柔性衬底预聚液后加热固化使得所述微型刚性热电器件阵列的下基板与柔性衬底的顶表面进行化学键交联。

18、进一步的，所所述柔性衬底为聚二甲基硅氧烷，所述微型刚性热电器件阵列的下基板为玻璃或氧化硅。

19、本发明还提供了一种所述的自供电温度传感电子皮肤的制备方法，包括：

20、(1)在硬质基板上刮涂柔性衬底预聚液，将表面沉积有下电极的下基板阵列放入柔性衬底预聚液，加热固化后剥离硬质基板得到与柔性衬底化学键交联的下基板阵列；

21、(2)将步骤(1)得到的下基板阵列的下电极与柔性导线对准焊接得到柔性互连的下基板阵列；

22、(3)获得表面依次沉积上电极和热电臂单元的上基板阵列，将步骤(2)得到的下基板阵列上的下电极与上基板阵列上的热电臂单元进行对应贴合得到自供电温度传感电子皮肤。所述刮涂厚度无限制条件，整体能够呈现出柔性即可。所述的器件下电极尺寸无限制条件，若想达到毫米级分辨率则尺寸应该在毫米级别。所述固化温度与固化实现无限制条件，能够实现固化并在pdms与下电极间形成化学键即可。

23、进一步的，包括：在步骤(1)中，所述柔性衬底预聚液中的主剂与固化剂的比例为5:1～30:1，其中，所述主剂为聚二甲基硅氧烷组分，所述固化剂为用于聚合的有机硅化合物。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

25、本发明以微型刚性热电器件为“岛”，以柔性导线作为“桥”，实现器件间的岛桥连接，使得使用过程中微型刚性热电器件内部不受影响，并且本发明提供的微型刚性热电器件阵列的底表面与柔性衬底的顶表面通过化学键交联，保证了自供电温度传感电子皮肤的高柔性和高可靠性，在弯曲以及拉伸条件下，刚性传感单元内部无应变，自供电温度传感电子皮肤传感性能几乎不受影响，从而使得本发明提供的自供电温度传感电子皮肤具有较高的分辨率。

26、由于微型刚性热电器件阵列式的交联在柔性衬底上，从而使得本发明提供的自供电温度传感电子皮肤具有高于729μv/k的高灵敏度，小于0.2s的超快响应时间以及低至0.1k的温度分辨率，并可以精确对毫米级以下的微小区域进行温度感知。