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UT-Austin鲁南姝教授团队工作无差评上线《Soft Matter》:工作频率对复合响应压力传感器的影响
2022-10-25  来源:高分子科技

  包含柔性压力传感器的电子皮肤在软体机器人、可穿戴设备、可变形触碰板等领有重要应用。然而,柔性电容式压力传感器(Capacitive Pressure Sensors, CPS)有一个众所周知的瓶颈——其灵敏度随着压力的增加而急剧衰减。鲁南姝教授团队去年在Advanced Materials发表了一种复合响应压力传感器(Hybrid-response Pressure Sensors,以下称为 HRPS )为解决这一挑战提供了全新的思路。HRPS由多孔纳米复合材料 (porous nanocomposite, 以下称为PNC) 、超薄绝缘层(PMMA)以及一对薄膜金电极组成,见图1a。由于PNC有碳纳米管参杂,HRPS同时具有压阻和压容响应,所以其灵敏度远高于各种传统的CPS(图1b)。这种复合响应可以由简化的并联电阻-电容器电路模型描述(图1c)。


  依据该电路模型,HRPS的压力-电容关系会取决于工作频率,于是一篇题为“Effects of AC Frequency on the Capacitance Measurement of Hybrid Response Pressure Sensors”的《Soft Matter》文章应运而生。该文通过对已有的电路模型进行深入理论分析,发现了一个决定HRPS频率响应的无量纲参数以及一条基于这个参数的通用曲线。该参数将工作频率,PNC电阻,PNC电容,以及PMMA绝缘层电容有机整合到了一起。通过实验上改变PNC的碳纳米管掺杂、工作频率以及压缩应变(即压力)这三个参数,该文验证了这个无量纲参数的决定性影响。此外,该文量化了压阻和压容机制的相对贡献三个参数而变化。基于这些底层理论,文章提出了一个极具操作性的HRPS工作频率选择指南。文章一审无差评通过,无需修改就直接在线发表了。 


1 (a) HRPS 结构示意图。(b) HRPS 相较于传统柔性电容式传感器更加灵敏。(c) HRPS的等效并联电阻-电容器电路模型


  首先,作者通过一系列实验(图2a)测量了具有不同碳纳米管掺杂的HRPS在扫频测试下的初始无变形电容响应(图2b),以及这些HRPS在不同测量频率下的压容响应(图2c-f)。 


(a) HRPS 测量实验示意图。(b)不同掺杂比HRPS的无变形扫频响应。(c-f) 不同掺杂比HRPS在不同测量频率下的压容响应。


  除了基于等效电路的HRPS的频率响应之外,工作频率也会改变PNC的电导率和介电常数,因而,不同频率下的PNC的电导率和介电常数也需要表征(图3)。 


(a) PNC 扫频测量实验示意图。(b)不同掺杂比PNC无变形扫频电阻变化,体现了电阻率随频率变化。(c) 不同掺杂比PNC无变形扫频电容变化,体现了介电常数随频率变化。


  接着,该文从已有的等效电路模型出发,通过公式推导发现了两个无量纲参数,其中ω为测量交流频率,RPNC的电阻,CairPNC电容,Ci为绝缘层电容。当Y2<<1时,HRPS电容的表达式被简化为仅仅含X的通用曲线(图3a),并且当 Y2<<X2<<1时总电路模型会退化为仅剩压阻与绝缘层电容串联电路模型; Y2>>1时,总电路模型会退化仅剩压容和绝缘层电容串联电路模型。因而,这条通用曲线被两条虚线分为三个区间, 即压阻效应,复合响应,以及压容效应。


(a) 通用曲线以及HRPS的三个不同响应阶段:压阻效应阶段,复合效应阶段,压容效应阶段 (黑色曲线代表通用曲线)(b) 扫频实验数据与通用曲线对比。(c-f)不同掺杂比HRPS受压实验数据与通用曲线。(注意,当HRPS 受压增大时横轴变小。 )


  通用曲线可以被图2所示的实验进行验证(图4),当测量频率较小的时候,通用曲线与实验吻合较好。当测量评率较大时,Y2 <<1的条件将不再满足,HRPS的电容需要由XY两个无量纲参数决定。


  紧接着,该文讨论了该理论框架为HRPS的实际应用提供的启发。 


通用曲线的启发

  

  由图5可以得知,当HRPS已经制备完成,还可以通过调控工作频率来提高HRPS的灵敏度——因为只需要使落入复合响应的范围之中即可。假如PNC制备中参杂碳纳米管过量了,使得其初始电阻过小,那么HRPS的初始电容值(紫色空心三角)与受压后的电容值(紫色实心三角)相差就不大,意味着HRPS灵敏度不高。那么可以选择提高工作频率ω从而增大 , 使得HRPS的电容范围由紫色空心三角-紫色实心三角变为紫色空心圆环-紫色实心圆环,以此来扩展HRPS灵敏度。同理,如果PNC掺杂的碳纳米管过少,使得PNC初始电阻过大,可以通过降低工作频率ω来让HRPS的电容范围由青色空心三角-青色实心三角变为青色空心圆环-青色实心圆环,从而增大HRPS灵敏度。


  最后,本文量化了压阻和压容效应分别对HRPS电容变化的贡献。如图6a所示,ICair表示流过电容Cair分支的电流,IR表示流过电阻分支R的电流,那么ICair/IRRCair=Y所以其实Y代表了流过电容支路与电阻支路的电流比。Y可以被压缩应变(即压力)以及工作频率ω 改变。Y越大,在HRPS复合响应中,电容响应占主导地位;反之Y越小,电阻响应占主导地位。当Y接近于1时,电阻电容响应接近于各占一半,与之对应的复合响应状态下,HRPS 拥有最高的灵敏度。 各掺杂比HRPS下,最佳测量频率ω的选取,应该使得Y最接近与1。图6c-f可以看出,当碳纳米管参杂较少时,PNC初始电阻大,一开始电流主要流过压容支路。但随着压力增大,PNC电阻显著降低,流经压容和压阻支路的电流此消彼长。工作频率对电流分流的影响也很明显,而最优的工作频率是能够使复合响应达到均分的效果。


压阻和压容效应分别对HRPS电容变化的贡献


  文章第一作者为UT-Austin鲁南姝教授团队博士生李征杰,之后依次为已毕业博士Kyoung-Ho Ha 目前在西北大学John Rogers教授组从事博后研究;王哲梁博士,毕业于Johns Hopkins University ,目前在鲁南姝教授组从事博后研究;博士生Sangjun Kim,本科生Ben Davis,本科生Ruojun LuJayant Sirohi 教授,以及鲁南姝教授,她也是论文唯一通讯作者。


  鲁南姝教授是Web of Science高引作者,ASME FellowNano LettersJournal of Applied Mechanics副主编,长期深耕于柔性电子的力学,制造与生物集成。欢迎访问实验室主页了解更多相关工作:https://sites.utexas.edu/nanshulu/


  原文链接:

  https://doi.org/10.1039/D2SM01250B

  https://doi.org/10.1002/adma.202103320

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(责任编辑:xu)
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