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南方科大:通過分級互鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得高靈敏和寬線性傳感的柔性壓力傳感器

更新時間:2022-09-19點擊次數(shù):875

 

靈敏度高、線性傳感范圍寬的柔性壓力傳感器在機(jī)器人觸覺、健康監(jiān)測、可穿戴設(shè)備領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)可以提高傳感器的靈敏度,但由于軟材料在壓力作用下的結(jié)構(gòu)硬化問題使傳感器的響應(yīng)逐漸飽和,導(dǎo)致器件呈現(xiàn)較窄的傳感范圍和顯著的非線性響應(yīng)。


針對這一問題,來自南方科技大學(xué)的郭傳飛教授團(tuán)隊設(shè)計了由微穹頂陣列與帶有次級微柱的微穹頂(分級微穹頂)陣列而形成的一種分級互鎖結(jié)構(gòu),有效提升界面結(jié)構(gòu)的可壓縮性,顯著降低結(jié)構(gòu)硬化,實現(xiàn)柔性壓力傳感器的高靈敏度(49.1 kPa-1)、線性響應(yīng)(相關(guān)系數(shù)R2>0.995)和寬傳感范圍的統(tǒng)一(~485 kPa)。傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)時間小于5 ms,可以檢測頻率高達(dá)200 Hz的振動刺激,顯示出良好的動態(tài)響應(yīng)特性。將傳感器用于機(jī)械手的抓取任務(wù)中,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí),幫助機(jī)械手識別被抓取物體的重量,提升機(jī)器人觸覺感知能力。相關(guān)工作以“Graded Interlocks for Iontronic Pressure Sensors with High Sensitivity and High Linearity over a Broad Range”為題發(fā)表于國際期刊《ACS Nano》。

 

該研究使用面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S130,摩方精密)打印具有微穹頂結(jié)構(gòu)以及分級微穹頂結(jié)構(gòu)的樹脂作為模具,進(jìn)一步地,通過模板法獲得具有微穹頂結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂/Au電極及離子膜。打印模具尺寸:9 mm×9 mm×1.5 mm,單個微穹頂尺寸(電極模具):寬290 μm,高480 μm;次級微柱尺寸(離子膜模具):直徑28 μm,高70 μm。每層打印精度設(shè)置為5 μm,以實現(xiàn)分級互鎖結(jié)構(gòu)的高精度、定制化打印。

 

這項工作為制造具有高靈敏度、高線性度和寬壓力響應(yīng)范圍的柔性壓力傳感器提供了一種策略,在未來的觸覺器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。

                    

圖1. 分級互鎖結(jié)構(gòu)的可壓縮性及器件傳感原理

 

分級互鎖結(jié)構(gòu)由微穹頂結(jié)構(gòu)與帶有次級微柱的微穹頂結(jié)構(gòu)組成。微柱在分級互鎖結(jié)構(gòu)中具有重要作用。一方面,它提高了結(jié)構(gòu)的可壓縮性,減少結(jié)構(gòu)硬化,使應(yīng)力分布更均勻,有助于實現(xiàn)線性形變;另一方面,微柱結(jié)構(gòu)的引入減小了電極與離子膜之間的起始接觸面積,可有效提高了器件的靈敏度(圖1)。

 

圖2. 分級互鎖型柔性壓力傳感器的制備


該研究使用面投影微立體光刻技術(shù)打印具有微穹頂結(jié)構(gòu)以及分級微穹頂結(jié)構(gòu)的樹脂作為模具。進(jìn)一步地,通過模板法獲得具有微穹頂結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂/Au電極及離子膜,并與平面電極PET/Au組合、封裝,獲得分級互鎖型器件(圖2)。

 

圖3. 分級互鎖型柔性壓力傳感器的傳感性能


分級互鎖結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)了器件的高靈敏度、高線性度及寬傳感范圍的統(tǒng)一,同時提升了器件的響應(yīng)速度,實現(xiàn)對高頻振動刺激的精準(zhǔn)檢測,呈現(xiàn)出良好的動態(tài)響應(yīng)特性(圖3)。

 

圖4. 分級互鎖型柔性壓力傳感器的線性傳感特性

 

將該傳感器用于開發(fā)線性響應(yīng)的電子天平,并用于測量幾種未知物體的重量,其輸出結(jié)果與商業(yè)電子天平的稱量結(jié)果幾乎一致,表明了自制電子天平對質(zhì)量的測量比較準(zhǔn)確、可靠,而且無需額外的非線性校準(zhǔn),大大簡化數(shù)據(jù)處理過程(圖4)。

 

圖5. 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的抓取任務(wù)感知與重量識別

 

柔性壓力傳感器的一個重要應(yīng)用是為機(jī)器人帶來觸覺感知能力,使機(jī)器人能夠像人類一樣與外界互動。將分級互鎖型傳感器集成在氣動抓手表面,實現(xiàn)機(jī)械手在抓取物體時的觸覺感知;結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí),幫助機(jī)械手識別物體的重量(圖5)。