Drucksensor mit hoher Empfindlichkeit und linearer Reaktion basierend auf weichen Mikrosäulenelektroden

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Schematische Darstellung und Querschnittsansicht REM-Aufnahme eines iontronischen Drucksensors mit Mikropillarstruktur. KREDIT © Science China Press

Schematische Darstellung und Querschnittsansicht REM-Aufnahme eines iontronischen Drucksensors mit Mikropillarstruktur. ANERKENNUNG
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Abstract:
In den letzten Jahren haben mit der rasanten Entwicklung flexibler elektronischer Skins flexible taktile Hochleistungssensoren mehr Aufmerksamkeit erhalten und wurden in vielen Bereichen wie künstlicher Intelligenz, Gesundheitsüberwachung, Mensch-Computer-Interaktion und tragbaren Geräten eingesetzt. Flexible kapazitive taktile Sensoren bieten unter verschiedenen Sensoren die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit, eines geringen Energieverbrauchs, einer schnellen Reaktion und einer einfachen Struktur. Die Empfindlichkeit ist ein wichtiger Parameter des Sensors. Ein üblicher Weg zur Verbesserung der Empfindlichkeit besteht darin, Mikrostrukturen einzuführen und ionische dielektrische Materialien an der Grenzfläche zu verwenden, um eine ionelektronische Grenzfläche im Nanomaßstab mit ultrahoher spezifischer Kapazität zu bilden. Aufgrund der Inkompressibilität des Materials und des hochstabilen Designs der Struktur ist die Linearität des Erfassungssignals jedoch schlecht und der Druckreaktionsbereich ist eng. Der Sensor mit hoher Linearität erleichtert die Umrechnung zwischen Kapazität und Druck. Es kann das Schaltungsdesign und das Datenverarbeitungssystem erheblich vereinfachen und die Reaktionsgeschwindigkeit des Erfassungssystems verbessern. Daher ist die Herstellung flexibler Drucksensoren mit hoher Linearität und hoher Empfindlichkeit zu einem zentralen Thema bei der Entwicklung flexibler elektronischer Haut geworden.

Drucksensor mit hoher Empfindlichkeit und linearem Ansprechverhalten basierend auf weichen Mikropillarelektroden

Peking, China | Veröffentlicht am 26. März 2021

Vor kurzem hat die Forschungsgruppe von Chuan Fei Guo vom Department of Materials Science and Technology der Southern University of Science and Technology Fortschritte bei der Erforschung hochlinearer flexibler Drucksensoren erzielt. Sie verbesserten die Verformbarkeit der Struktur, indem sie eine flexible Elektrode mit einer mikropillaren Oberflächenstruktur mit einem großen Aspektverhältnis entwarfen, das leicht zu knicken ist und an Stabilität verliert (wie in 1 gezeigt). In Kombination mit der dielektrischen Schicht aus ionischem Gel weist der Sensor eine hohe Linearität (R2 ~ 0.999) und eine hohe Empfindlichkeit (33.16 kPa-1) in einem weiten Druckbereich von 12 bis 176 kPa auf.

Die Mikropillaren durchlaufen unter Druck drei Verformungsstufen; Erstkontakt (0-6 kPa), strukturelles Knicken (6-12 kPa) und Nachknicken (12-176 kPa). In der Nachknickphase zeigt das Signal eine hohe Linearität und eine hohe Empfindlichkeit, wie in Fig. 2a gezeigt.

Die hohe Linearität liegt in der Anpassung des Moduls der Mikropillarstrukturelektrode und der dielektrischen Schicht. Die Mikrosäulen bestehen aus Silikonkautschukpolydimethylsiloxan (PDMS) mit einem Elastizitätsmodul von 1 MPa und einem Elastizitätsmodul der Ionengelmembran von 5 MPa. Durch Finite-Elemente-Analyse (FEA) kann bekannt werden, dass ein Material mit einem MPa-Modul eine lineare Änderung der Kontaktfläche (wie in Fig. 2b gezeigt) erzeugt, wenn das Material mit einer mikropillaren Struktur extrudiert wird, die der linearen Empfindlichkeit entspricht im Experiment erhalten.

Zusätzlich zu der hohen linearen Empfindlichkeit hat der Sensor auch eine niedrige Nachweisgrenze (0.9 Pa), eine niedrige Reaktionszeit (9 ms) und eine hohe Stabilität (während 6000 Kompressions- / Biegezyklen bleibt das Signal stabil). Entsprechend der Leistung des Sensors führen sie eine Reihe angewandter Experimente durch. Ein Sensor ist am Mittelfingersegment einer künstlichen Hand angebracht, um Gewichte mit unterschiedlichen Gewichten zu heben, und das Sensorsignal zeigt eine Schrittänderung mit einer gleichmäßigen Gewichtszunahme (~ 372 pF / g). Dann werden mehrere (21) Sensoren an dem Manipulator angebracht, um das Objekterfassungsexperiment durchzuführen. Das Sensorarray kann die Druckverteilung des erfassten Objekts besser widerspiegeln. Der Sensor wird auch zur Erkennung der menschlichen Radialarterie verwendet, und das Impulssignal ist unter verschiedenen Vordrücken (10.23 bis 17.75 kPa) relativ stabil, wie in Fig. 3 gezeigt. Im Plantardruckverteilungstest der Sensoranordnung kann den Unterschied der Druckverteilung in verschiedenen Zuständen deutlich zurückmelden.

Die hohe Linearitätsempfindlichkeit des Sensors ergibt sich aus dem Design der Oberflächenmikropillarstruktur und der Anpassung der mechanischen Eigenschaften der Elektroden und dielektrischen Materialien. Die Kombination von Eulers Stabilitätsprinzip, FEA und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) -Charakterisierung erklärt den Grund für die lineare Empfindlichkeit. Das Gewichtheben- und Greifexperiment des Manipulators, die Erkennung menschlicher Impulse und der Plantardruckverteilungstest zeigen, dass der Sensor ein großes Anwendungspotential in den Bereichen intelligente Roboter, Mensch-Computer-Interaktion und Gesundheitsüberwachung aufweist. Diese Arbeit liefert auch neue Designideen für die Erforschung flexibler linearer Sensoren.

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Diese Arbeit wurde kürzlich online im Science Bulletin veröffentlicht. Associate Professor Chuan Fei Guo ist der einzige korrespondierende Autor des Papiers, und die Southern University of Science and Technology ist die erste und die Kommunikationseinheit. Der erste Autor der Arbeit ist der wissenschaftliche Mitarbeiter Peng Lu von der Forschungsgruppe (2017 SUSTech-Harbin Institute of Technology, Master-Absolvent für kombinierte Ausbildung). Der Postdoktorand Liu Wang leistet wichtige Beiträge zu dieser Arbeit. Auch die Forschungsassistenten Pang Zhu, Jun Huang und andere leisten einen großen Beitrag zu dieser Arbeit.

Die Forschung wurde aus Mitteln des „Ausschusses für Wissenschaft, Technologie und Innovation der Gemeinde Shenzhen“, der Nationalen Naturwissenschaftlichen Stiftung Chinas, des „Guangdong Innovative and Entrepreneurial Research Team Program“, des Shenzhen Sci-Tech Fund und des „Tencent“ unterstützt Robotics X Lab Rhino-Bird-fokussiertes Forschungsprogramm “.

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Guo Chuan Fei

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