高性能镓基液态金属电子皮肤制备与应用研究.pdf

摘要

摘要

电子皮肤能够与不规则曲面实现良好的共形粘附因而能够模仿人体皮肤进行

灵活的触觉传感，在健康监测、机器人触觉感知、仿生义肢等领域拥有巨大的应

用潜力。然而刚性材料及组件的使用以及复杂的结构设计既制约了器件的整体柔

性也增加了制备成本，这限制了其进一步的广泛深度应用。镓基液态金属电子皮

肤能够有效降低电路复杂度，是未来电子皮肤发展的重要方向之一。因此，本文

以高性能镓基液态金属电子皮肤作为研究中心，进行了以下制备工艺、性能检测

与应用等方面的相关研究：

本研究通过内清洗牺牲模板法实现了厘米级电子皮肤的制备，其大小为1×1

cm2的传感单元具有跨越三个数量级的100-20000Pa宽线性传感范围和20Pa的高

压力分辨率，高达0.04s的快速响应能力以及1-50Hz宽频检测能力。这些出众的

传感性能使其具备实现敏锐触觉感知的巨大潜力。以4mm为临界间距组装得到

的模块化厘米级电子皮肤具有和人体上臂部位相当的两点分辨能力以及优异的平

面传感性能，在平面环境中对多点触控、滑动和负载能够准确识别与定位，对

0.8-7.5cm/s范围内的滑动速度也能进行准确测量。在复杂曲面环境（曲率半径≥6

mm）中，该厘米级电子皮肤仍可维持宽线性传感范围（100-20000Pa）和高压力

分辨率（20Pa），因而在仿生应用中进一步制备了上臂仿生模型，用于感知多点

触控和滑动轨迹。

通过使用模板脱除法，本文成功制备了更加精密、小尺度的毫米级电子皮肤

制备。传感单元缩小为3×3mm2，线路的精细化使得毫米级传感单元线性传感范

围增大至10-22000Pa，压力分辨率提高至10Pa。介观尺度的毫米级电子皮肤仍

具有厘米级电子皮肤的快速响应和宽频检测能力。2mm的临界间距使毫米级电子

皮肤具备与人体鼻尖部位相当的两点分辨能力。平面环境中它可以准确感知多点

触控和滑动轨迹，识别0.8-5.4cm/s范围内的运动速度。在复杂曲面环境（曲率半

径≥6mm）下所具备的宽线性传感范围（10-22000Pa）和高压力分辨率（10Pa）

意味该电子皮肤可以适应鼻尖部位的曲面环境。嵌入该电子皮肤的鼻尖仿生模型

也展现出了优异的多点触控和滑动轨迹识别能力。

在成功制备毫米级电子皮肤的基础上，本研究进一步从柔性基底的制备材料、

电路通道的几何形状、布线密度、钝化层厚度等方面研究了毫米级传感单元的传

感性能影响机制。通过使用变形能力更加优异的基底材料（Ecoflex），缩小电路

通道（0.1×0.1mm2）并设定高宽比，提高EGaIn电路的布线密度（44.8cm-1）、适

-I-

摘要

当增加上钝化层的厚度（2.8mm），传感单元的传感性能可得到进一步提高。

关键词：EGaIn电子皮肤；高性能传感；触觉感知；仿生模型

-II-

Abstract

Abstract

Electronicskincanachievegoodconformaladhesionwithirregularsurfaces,soit

cansimulatehumanskinforflexibletactilesensing.Ithasgreatapplicationpotentialin

thefieldsofhealthmonitoring,robottactileperception,bionicprosthesesandsoon.

However,theuseofrigidmaterialsandcomponents,complexstructuraldesignnotonly

restricttheove