Druksensor met hoge gevoeligheid en lineaire respons op basis van zachte elektroden met micropilaren

In de afgelopen jaren, met de snelle ontwikkeling van flexibele elektronische skins, hebben hoogwaardige flexibele tactiele sensoren meer aandacht gekregen en zijn ze op veel gebieden gebruikt, zoals kunstmatige intelligentie, gezondheidsmonitoring, interactie tussen mens en computer en draagbare apparaten. Van de verschillende sensoren hebben flexibele capacitieve tactiele sensoren de voordelen van hoge gevoeligheid, laag energieverbruik, snelle respons en eenvoudige structuur.

Gevoeligheid is een belangrijke parameter van de sensor. Een gebruikelijke manier om de gevoeligheid te verbeteren, is door microstructuren te introduceren en ionische diëlektrische materialen aan de interface te gebruiken om een ​​ionen-elektronische interface op nanoschaal te vormen met een ultrahoge specifieke capaciteit. Vanwege de onsamendrukbaarheid van het materiaal en het hoge stabiliteitsontwerp van de structuur, is de lineariteit van het detectiesignaal echter slecht en is het drukresponsbereik smal. De sensor met hoge lineariteit vergemakkelijkt de conversie tussen capaciteit en druk. Het kan het circuitontwerp en het gegevensverwerkingssysteem aanzienlijk vereenvoudigen en de reactiesnelheid van het detectiesysteem verbeteren. Daarom is de productie van flexibele druksensoren met hoge lineariteit en hoge gevoeligheid een belangrijk punt geworden bij de ontwikkeling van flexibele elektronische huid.

Onlangs heeft de onderzoeksgroep van Chuan Fei Guo van het Department of Materials Science and Technology van Southern University of Science and Technology vooruitgang geboekt in het onderzoek naar zeer lineaire flexibele druksensoren. Ze verbeterden de vervormbaarheid van de structuur door een flexibele elektrode te ontwerpen met een micropillarale oppervlaktestructuur met een grote aspectverhouding die gemakkelijk kan worden vastgemaakt en de stabiliteit verliest. Gecombineerd met de ionische gel-diëlektrische laag, heeft de sensor een hoge lineariteit (R2 ~ 0,999) en een hoge gevoeligheid (33,16 kPa^-1) in een breed drukbereik van 12-176 kPa.

De micropillars ondergaan drie vervormingsfasen onder druk; eerste contact (0-6 kPa), structurele knik (6-12 kPa) en post-knikfase (12-176 kPa). In de fase na het knikken vertoont het signaal een hoge lineariteit en een hoge gevoeligheid.

De hoge lineariteit ligt in de aanpassing van de modulus van de micropillar-structuurelektrode en de diëlektrische laag. De micropillars zijn gemaakt van siliconenrubber polydimethylsiloxaan (PDMS) met een elastische modulus van 1 MPa en de elastische modulus van het ionengelmembraan is 5 MPa. Door middel van eindige-elementenanalyse (FEA) kan bekend worden dat een materiaal met een modulus van MPa een lineaire verandering van het contactoppervlak zal produceren wanneer het materiaal wordt geëxtrudeerd met een micropillarstructuur, wat overeenkomt met de lineaire gevoeligheid die in het experiment is verkregen.

Naast een hoge lineaire gevoeligheid heeft de sensor ook een lage detectielimiet (0,9 Pa), een lage responstijd (9 ms) en een hoge stabiliteit (gedurende 6000 compressie- / buigcycli blijft het signaal stabiel). Volgens de prestaties van de sensor maken ze een reeks toegepaste experimenten. Een sensor is bevestigd op het middelvingersegment van een kunstmatige hand om gewichten van verschillende gewichten op te heffen, en het sensorsignaal vertoont een stapsgewijze verandering met een uniforme gewichtstoename (~ 372 pF / g). Vervolgens worden meerdere (21) sensoren aan de manipulator bevestigd om het objectgreepexperiment uit te voeren. De sensorreeks kan de drukverdeling van het vastgegrepen object beter weerspiegelen. De sensor wordt ook gebruikt bij de detectie van de menselijke radiale slagader en het pulssignaal is relatief stabiel onder verschillende voordrukken (10,23 ~ 17,75 kPa), zoals weergegeven in figuur 3. In de plantaire drukverdelingstest is de sensorarray kan duidelijk het verschil in drukverdeling in verschillende staat terugkoppelen.

De hoge lineariteitsgevoeligheid van de sensor is afgeleid van het ontwerp van de micropillarale oppervlaktestructuur en de afstemming van de mechanische eigenschappen van de elektroden en diëlektrische materialen. De combinatie van Euler’s stabiliteitsprincipe, FEA en scanning elektronenmicroscopie (SEM) karakterisering verklaart de reden voor lineaire gevoeligheid. Het gewichtheffen-experiment en het grijpexperiment van de manipulator, menselijke pulsdetectie en plantaire drukverdelingstest laten zien dat de sensor een groot toepassingspotentieel heeft op het gebied van intelligente robots, mens-computer interactie en gezondheidsmonitoring. Dit werk levert ook nieuwe ontwerpideeën op voor het onderzoek van flexibele lineaire sensoren.