Tryksensor med høj følsomhed og lineær respons baseret på bløde mikropillarede elektroder

I de seneste år, med den hurtige udvikling af fleksible elektroniske skins, højtydende fleksible taktile sensorer har fået mere opmærksomhed og er blevet brugt på mange områder såsom kunstig intelligens, sundhedsovervågning, menneske-computer interaktion, og bærbare enheder. Blandt forskellige sensorer, fleksible kapacitive taktile sensorer har fordelene ved høj følsomhed, lavt energiforbrug, hurtigt svar, og enkel struktur.

Følsomhed er en vigtig parameter for sensoren. En almindelig måde at forbedre følsomheden på er at indføre mikrostrukturer og bruge ioniske dielektriske materialer ved grænsefladen til at danne en ion-elektronisk grænseflade i nanoskala med ultrahøj specifik kapacitans. Imidlertid, på grund af materialets inkompressibilitet og strukturens høje stabilitetsdesign, lineariteten af ​​følesignalet er dårlig, og trykresponsområdet er snævert. Sensoren med høj linearitet letter konverteringen mellem kapacitans og tryk. Det kan i høj grad forenkle kredsløbsdesignet og databehandlingssystemet, og forbedre sensorsystemets responshastighed. Derfor, produktionen af ​​fleksible tryksensorer med høj linearitet og høj følsomhed er blevet et nøglespørgsmål i udviklingen af ​​fleksibel elektronisk hud.

For nylig, Chuan Fei Guos forskningsgruppe fra Institut for Materialevidenskab og Teknologi ved Southern University of Science and Technology har gjort fremskridt i forskningen af ​​meget lineære fleksible tryksensorer. De forbedrede strukturens deformerbarhed ved at designe en fleksibel elektrode med en overfladestruktur med mikrosøjler med et stort aspektforhold, der er let at spænde og mister stabilitet. Kombineret med det ioniske gel dielektriske lag, sensoren har høj linearitet (R2~0,999) og høj følsomhed (33,16 kPa ^-1 ) i et bredt trykområde på 12-176 kPa.

Mikropillerne gennemgår tre deformationstrin under tryk; første kontakt (0-6 kPa), strukturel knækning (6-12 kPa) og efterknækningstrin (12-176 kPa). I efterspændingsstadiet, signalet udviser høj linearitet og høj følsomhed.

Den høje linearitet ligger i tilpasningen af ​​modulet af mikropillarstrukturelektroden og det dielektriske lag. Mikropillerne er lavet af silikonegummi polydimethylsiloxan (PDMS) med et elasticitetsmodul på 1 MPa, og elasticitetsmodulet af iongelmembranen er 5 MPa. Gennem finite element analyse (FEA), det kan vides, at et materiale med et modul på MPa vil frembringe en lineær kontaktarealændring, når materialet ekstruderes med en mikropillarstruktur, som matcher den lineære følsomhed opnået i forsøget.

Ud over høj lineær følsomhed, sensoren har også en lav detektionsgrænse (0,9 Pa), lav responstid (9 ms), og høj stabilitet (under 6000 kompressions-/bøjningscyklusser, signalet forbliver stabilt). I henhold til sensorens ydeevne, de laver en række anvendte eksperimenter. En sensor er fastgjort på langfingersegmentet af en kunstig hånd for at løfte vægte af forskellig vægt, og sensorsignalet viser en trinændring med en ensartet stigning i vægt (~372 pF/g). Derefter, flere (21) sensorer er fastgjort til manipulatoren for at udføre objektgrebseksperimentet. Sensorarrayet kan bedre afspejle trykfordelingen af ​​den grebne genstand. Sensoren bruges også til påvisning af den menneskelige radiale arterie, og pulssignalet er relativt stabilt under forskellige fortryk (10,23 ~ 17,75 kPa), som vist i fig. 3. I plantar trykfordelingstesten, sensorarrayet kan tydeligt give feedback på forskellen i trykfordelingen i forskellige tilstande.

Sensorens høje linearitetsfølsomhed er afledt af designet af overfladens mikropillarstruktur og matchningen af ​​de mekaniske egenskaber af elektroderne og dielektriske materialer. Kombinationen af ​​Eulers stabilitetsprincip, FEA og scanning elektronmikroskopi (SEM) karakterisering forklarer årsagen til lineær følsomhed. Vægtløftningseksperimentet og grebseksperimentet af manipulatoren, menneskelig pulsdetektion og plantar trykfordelingstest viser, at sensoren har et stort anvendelsespotentiale inden for intelligente robotter, menneske-computer interaktion, og sundhedsovervågning. Dette arbejde giver også nye designideer til forskning i fleksible lineære sensorer.