近年來，柔性壓力傳感器不斷發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于電子皮膚、健康監(jiān)測、人機(jī)交互和軟體機(jī)器人等前沿領(lǐng)域。柔性壓力傳感器具有超低模量、高機(jī)械延展性及優(yōu)異的界面貼合性，能夠在復(fù)雜形變條件下實現(xiàn)穩(wěn)定的信號輸出，逐漸成為可穿戴智能設(shè)備中的核心功能模塊之一。然而，由于傳感材料自身特性的限制，要實現(xiàn)兼具靜態(tài)與動態(tài)響應(yīng)能力的柔性壓力傳感器仍面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)具有高響應(yīng)速度、寬帶寬工作能力及環(huán)境適應(yīng)性的柔性壓力傳感器，對于提升力感知的精確性與實用性具有重要意義。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對上述挑戰(zhàn)，廈門大學(xué)、湖北工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊聯(lián)合提出一種基于離電與壓電耦合機(jī)制的雙模柔性壓力傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)與動態(tài)壓力的全域響應(yīng)檢測。該傳感器可貼附在機(jī)器人指尖，用于感知機(jī)械手與物體接觸時的靜態(tài)與動態(tài)壓力變化情況。相關(guān)研究成果以“Dual-Mode Flexible Pressure Sensor Based on Ionic Electronic and Piezoelectric Coupling Mechanism Enables Dynamic and Static Full-Domain Stress Response”為題發(fā)表在Micromachines期刊上。
這項研究提出的柔性壓力傳感器采用復(fù)合傳感結(jié)構(gòu)，通過絲網(wǎng)印刷工藝將含多壁碳納米管（MWCNT）的離子溶液涂覆于上下柔性電極表面，中間夾持經(jīng)極化處理的聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜。該壓力傳感器呈“三明治”層狀結(jié)構(gòu)，自上而下依次為：離子層、PVDF薄膜、柔性印刷電路基板（FPC薄膜）。離子層可增強(qiáng)界面電荷效應(yīng)，從而提升信號輸出靈敏度；PVDF薄膜作為壓電感敏層，負(fù)責(zé)對外部施加的壓力信號進(jìn)行響應(yīng)；FPC層兼具電極與支撐基板的功能，可實現(xiàn)器件的信號提取與柔性貼附。
圖1 雙模柔性壓力傳感器示意圖及物理演示
圖2 柔性壓力傳感器的力學(xué)示意圖與微觀結(jié)構(gòu)表征
研究人員通過優(yōu)化MWCNT（質(zhì)量分別為0.25 g、0.5 g、0.75 g）與離子液體（體積分別為2 mL、3 mL、4 mL）的組成比例，發(fā)現(xiàn)當(dāng)MWCNT質(zhì)量為0.5 g、離子液體體積為3 mL時，該柔性壓力傳感器表現(xiàn)出最優(yōu)性能，最大靈敏度達(dá)0.13 kPa?1。該靈敏度水平優(yōu)于或相當(dāng)于目前已報道的眾多柔性壓力傳感器（靈敏度通常在0.01 ~ 0.11 kPa?1范圍內(nèi)），凸顯了本設(shè)計的性能優(yōu)勢。在0 ~ 150 kPa壓力范圍內(nèi)，該傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的線性度（R2=0.9981），且經(jīng)過2000次加載-卸載循環(huán)后仍能保持穩(wěn)定性能。此外，離電與壓電機(jī)制的協(xié)同耦合，使該傳感器在靜態(tài)與動態(tài)壓力條件下均具有快速響應(yīng)與高穩(wěn)定性。通過不同球體沖擊角度及恒定壓力下的測試證實，該傳感器能夠保持快速且穩(wěn)定的響應(yīng)。
圖3 柔性壓力傳感器在不同條件下的性能特征
圖4 不同撞擊角度下的球體撞擊實驗及傳感器響應(yīng)結(jié)果
這項研究創(chuàng)新性地將離電效應(yīng)與壓電效應(yīng)集成在單一柔性壓力傳感器中，展示了其在靜態(tài)與動態(tài)壓力可靠檢測方面的應(yīng)用潛力。這種雙模傳感機(jī)制對于傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能提升具有重要意義。
論文信息：
https://doi.org/10.3390/mi16091018
