Ilustración esquemática y vista en sección transversal Imagen SEM del sensor de presión iontrónica de estructura micropilar. Crédito:© Science China Press
En años recientes, con el rápido desarrollo de pieles electrónicas flexibles, Los sensores táctiles flexibles de alto rendimiento han recibido más atención y se han utilizado en muchos campos, como la inteligencia artificial, vigilancia de la salud, la interacción persona-ordenador, y dispositivos portátiles. Entre varios sensores, Los sensores táctiles capacitivos flexibles tienen las ventajas de una alta sensibilidad, bajo consumo de energía, respuesta rapida, y estructura simple.
La sensibilidad es un parámetro importante del sensor. Una forma común de mejorar la sensibilidad es introducir microestructuras y utilizar materiales dieléctricos iónicos en la interfaz para formar una interfaz iónica-electrónica a nanoescala con capacitancia específica ultra alta. Sin embargo, debido a la incompresibilidad del material y al diseño de alta estabilidad de la estructura, la linealidad de la señal de detección es pobre y el rango de respuesta a la presión es estrecho. El sensor de alta linealidad facilita la conversión entre capacitancia y presión. Puede simplificar enormemente el diseño del circuito y el sistema de procesamiento de datos, y mejorar la velocidad de respuesta del sistema de detección. Por lo tanto, La producción de sensores de presión flexibles con alta linealidad y alta sensibilidad se ha convertido en un tema clave en el desarrollo de la piel electrónica flexible.
Recientemente, El grupo de investigación de Chuan Fei Guo del Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur ha avanzado en la investigación de sensores de presión flexibles altamente lineales. Mejoraron la deformabilidad de la estructura mediante el diseño de un electrodo flexible con una estructura de superficie micropilar con una gran relación de aspecto que es fácil de abrochar y perder estabilidad. Combinado con la capa dieléctrica de gel iónico, el sensor tiene alta linealidad (R2 ~ 0.999) y alta sensibilidad (33.16 kPa -1 ) en un amplio rango de presión de 12-176 kPa.
(a) Imagen SEM de la curva de sensibilidad y la deformación de la microestructura de la sección transversal. (b) Las imágenes SEM de sección transversal de compresión y el área de contacto cambian las curvas de materiales con diferente módulo de elasticidad y estructura micropilar bajo presión. Crédito:© Science China Press
Los micropilares se someten a tres etapas de deformación bajo presión; contacto inicial (0-6 kPa), pandeo estructural (6-12 kPa) y etapa de post-pandeo (12-176 kPa). En la etapa posterior al pandeo, la señal exhibe alta linealidad y alta sensibilidad.
La alta linealidad radica en la adaptación del módulo del electrodo de estructura micropilar y la capa dieléctrica. Los micropilares están hechos de caucho de silicona polidimetilsiloxano (PDMS) con un módulo de elasticidad de 1 MPa, y el módulo elástico de la membrana de gel iónico es de 5 MPa. A través del análisis de elementos finitos (FEA), se puede saber que un material con un módulo de MPa producirá un cambio de área de contacto lineal cuando el material se extruye con una estructura micropilar, que coincide con la sensibilidad lineal obtenida en el experimento.
Además de una alta sensibilidad lineal, el sensor también tiene un límite de detección bajo (0,9 Pa), bajo tiempo de respuesta (9 ms), y alta estabilidad (durante 6000 ciclos de compresión / flexión, la señal permanece estable). Según el rendimiento del sensor, hacen una serie de experimentos aplicados. Se adjunta un sensor en el segmento del dedo medio de una mano artificial para levantar pesos de diferentes pesos, y la señal del sensor muestra un cambio escalonado con un aumento uniforme de peso (~ 372 pF / g). Luego, Se conectan varios (21) sensores al manipulador para llevar a cabo el experimento de agarre del objeto. La matriz de sensores puede reflejar mejor la distribución de presión del objeto agarrado. El sensor también se utiliza en la detección de la arteria radial humana, y la señal de pulso es relativamente estable bajo diferentes presiones previas (10,23 ~ 17,75 kPa), como se muestra en la Fig. 3. En la prueba de distribución de la presión plantar, la matriz de sensores puede retroalimentar claramente la diferencia de distribución de presión en diferentes estados.
Experimento y datos de la aplicación del sensor. Crédito:© Science China Press
La alta sensibilidad de linealidad del sensor se deriva del diseño de la estructura micropilar de superficie y de la adecuación de las propiedades mecánicas de los electrodos y los materiales dieléctricos. La combinación del principio de estabilidad de Euler, La caracterización de FEA y microscopía electrónica de barrido (SEM) explica la razón de la sensibilidad lineal. El experimento de levantamiento de pesas y el experimento de agarre del manipulador, La detección del pulso humano y la prueba de distribución de la presión plantar muestran que el sensor tiene un gran potencial de aplicación en los campos de los robots inteligentes. la interacción persona-ordenador, y vigilancia de la salud. Este trabajo también proporciona nuevas ideas de diseño para la investigación de sensores lineales flexibles.
