非平衡压缩实现离子电子压力传感器的高灵敏度和线性度
文摘
2024-06-26 10:03
上海
柔性压力传感器又称电子皮肤，具有类似皮肤的特性。它能将外部机械刺激转化为电信号因此成为人类、机器人和外部环境之间互动的重要媒介。灵敏度和线性度是评估压力传感器性能的重要参数。高灵敏度有助于精确感应外部机械刺激。高线性度可有效简化数据处理电路，省去多次校准过程，从而提高传感系统的整体响应速度。电容式触觉传感器由夹在两个电极之间的软介质组成，可将外部机械刺激转化为电容信号。近几十年来电容式触觉传感器因其结构简单、信号漂移最小而受到研究人员的广泛关注。传统的电容式传感器主要使用橡胶作为介电层，而橡胶的压缩范围有限(压缩时软介电体积恒定)因此传感器的灵敏度往往较低。近年来，通过引入离子凝胶、水凝胶或其他带有游离离子的介电层，形成具有超高比电容的纳米级离子-电子界面，电容式传感器的灵敏度得到了提高。在这类离子电子压力传感器中，电极与离子活性层之间的接触面积在外加压力下的变化是产生传感信号的关键。在电极或介质表面引入特殊设计的微结构可以有效扩大电双层(EDL)面积的变化范围，从而提高传感器的灵敏度和压力响应范围然而，目前主要的微结构策略，如金字塔和微圆顶，表现出稳定的轴对称结构，主要依赖于轴向压缩变形。压缩过程中结构刚度的增加会提高其抗压强度，使微结构难以进一步扁平化。因此，从根本上限制了高灵敏度和线性度的实现。高纵横比微柱在轴向平衡压缩失稳后产生的横向变形会软化刚度并提高灵敏度。但这种平衡失稳过程需要一定量的轴向压缩积累才会发生，在压缩过程开始时并不能提高灵敏度。如何显著提高EDL接口区域的生长效率对于构建高灵敏度离子电子压力传感器至关重要。具有高灵敏度和线性度的柔性压力传感器是机器人传感和人体生理信号检测的理想之选。然而，目前稳定轴向微结构(如微金字塔)的策略主要容易受到压缩过程中结构化的影响从而限制了高灵敏度和线性度的实现。在此，南方科技大学王太宏、陈晓龙教授联合南京大学丁孙安教授等人报告了一种弯曲诱导的非平衡压缩过程它能有效增强微结构的可压缩性，从而极大地提高电双层(EDL)界面面积增长的效率。基于这一原理，作者利用垂直石墨烯(VG)阵列电极制造了一种离子电子柔性压力传感器。它在很宽的压力范围(0.49 Pa-66.67 kPa)内实现了超高灵敏度(185.09 kPa-1)和线性度(R2=0.9999)。在压缩和弯曲过程中，它还表现出卓越的机械稳定性。该传感器被成功应用于机器人抓取任务中，基于多层感知(MLP)神经网络识别不同材料和形状的目标。它为机器人手和假肢实现触觉传感功能打开了大门。相关研究以“Non-equilibrium compression achieving high sensitivity and linearity for iontronic pressure sensors”为题发表在Science Bulletin期刊上。Fig. 1. The structure and sensing mechanism of VG sensor.Fig. 2. Finite element analysis and characterization of VG sensor.Fig. 3. Sensing properties of the VG sensor.Fig. 4. Application of VG sensors in physiological signal monitoring.Fig. 5. Robotic hand integrated with 4×4 VG sensor array for sensing and object classification.使用具有倾斜瓣状分支微结构的 VG 电极可减少轴向压缩造成的结构僵化影响，有效提高传感器的可压缩性。采用 VG 电极构造的离子电子压力传感器可实现 185.09 kPa-1的超高灵敏度，并能检测到 0.49 Pa的微小压力。在 10kPa 的高压下，VG 传感器的分辨率为25 Pa。该器件在整个施加压力范围内的高灵敏度源于 VG 片状分支结构的压缩弯曲导致 EDL电容的显著增加。同时，这种 VG 结构在 1000 次压缩/卸载循环和弯曲/卸载循环中都表现出卓越的稳定性。作者利用带有 MLP 神经网络的 VG 传感阵列识别系统，在机械手中实现了触觉认知功能。通过分析机械手抓取各种材料和形状的物体时收集到的响应信号，我们的识别准确率超过了 89.1%。这凸显了将触觉智能集成到操纵系统中的巨大潜力。Non-equilibrium compression achieving high sensitivity and linearity for iontronic pressure sensorshttps://doi.org/10.1016/j.scib.2024.05.001*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!
