近期,南方科技大学力学与航空航天工程系杨灿辉团队与深港微电子学院王敏团队合作于《先进材料》(Advanced Materials)期刊上发表题为“Micro-structured polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with high sensitivities and excellent stability for artificial skins”的论文,报道了基于聚电解质弹性体的离电式压力传感器。该研究通过软光刻倒模的方法在聚电解质弹性体上成功加工微金字塔阵列,并将其成功组装成压力传感器。该传感器具有高灵敏度和优异的稳定性,在人机交互、软体机器人、电子皮肤等领域具有重要的应用价值。
随着人工触觉和人造皮肤领域的发展,对于柔性压力传感器的性能要求(如灵敏度、稳定性等)日益提高。其中,离电式传感器(Ionotronic sensor or iontronic sensor)受到广泛的关注,因其具有非常高的灵敏度。离电式传感器的高灵敏度是由电子导体/离子导体界面上的双电层电容(EDL)带来的。然而,现有的离电式传感器具有易挥发、泄漏的液体成分,导致其稳定性差。同时,对于易泄露的离子液体,其对于人体健康有潜在的隐患,这对离电式传感器在可穿戴器件上的应用受到了极大的限制。因此,设计兼具高灵敏度、高稳定性的无液体成分的离电式传感器对于人造皮肤以及可穿戴器件的相关应用至关重要。
图1 离电式传感器的原理、材料以及制备工艺。
图2 聚电解质弹性体的力学、电学性能及其优化。
图3 离电式传感器的性能。
图4 离电式传感器在可穿戴键盘的应用。
研究人员展示了离电式传感器在可穿戴键盘上的应用。如图4,离电式电容传感器的电容值被电容-数字转换电路(CDC)转化成数字量,由单片机(MCU)读取并处理后模拟键盘行为输出到PC终端并显示(图4a)。这个系统可以通过电容值识别轻重按压,以及通过按压时间识别长按短按(图4b-c)。该可穿戴键盘可以用于控制Live2D卡通人物的动作以及表情(图4d)。同时,通过合理的编码(图4e-f),离电式传感器可以实现可穿戴的打字功能。这样的可穿戴键盘有机会可以给聋哑患者应用于日常交流。
图5 离电式传感器在控制机械手的应用
综上所述,该工作报道了一种离电式传感器,其基于无液体成分的PEE,具有高灵敏度和优异的稳定性。通过优化PEE的机械和电气性能以及微金字塔的几何参数,该离电式传感器实现了69.6 kPa-1的高灵敏度,并且具有优异的稳定性。此外,该工作展示了传感器在可穿戴键盘以及可穿戴机械臂控制系统上的应用。该离电式传感器在高性能人造皮肤方面具有巨大的应用潜力。
论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310429
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