一種可以實(shí)現(xiàn)壓力、溫度和材料識(shí)別的柔性多功能傳感器

研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類正在步入智能時(shí)代。當(dāng)下基于人工智能技術(shù)的可穿戴傳感器正在深刻的改變?nèi)祟惖纳罘绞?。在過(guò)去的十年中，仿照人類皮膚的觸覺(jué)功能，研究人員開(kāi)發(fā)了多種柔性傳感器以及電子皮膚器件，其目標(biāo)是獨(dú)立人體之外模擬人類皮膚的觸覺(jué)功能，并應(yīng)用于智能機(jī)器人、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的柔性傳感器已經(jīng)可以出色的實(shí)現(xiàn)壓力和溫度的感知，然而對(duì)于材料的識(shí)別仍面臨眾多問(wèn)題。因此，發(fā)展多功能柔性傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸物體的材料識(shí)別成為當(dāng)前的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator, TENG）通過(guò)摩擦起電和靜電感應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為解決材料識(shí)別問(wèn)題提出了重要的思路。由于不同材料表面相互接觸后產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電荷量不同，通過(guò)分析感應(yīng)電流的不同，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料屬性的判別。然而，兩種材料接觸的壓力、溫度和頻率也會(huì)對(duì)摩擦信號(hào)產(chǎn)生影響，為此，需要通過(guò)開(kāi)發(fā)新型的器件結(jié)構(gòu)、新的敏感傳導(dǎo)機(jī)制來(lái)滿足單一柔性傳感器對(duì)壓力、溫度和材料的分別感知和識(shí)別。

文章概述

近日，在中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和楊亞研究員的指導(dǎo)下，汪洋、武鶴婷和徐林等研究人員完成了一種可以實(shí)現(xiàn)壓力、溫度和材料識(shí)別的柔性多功能傳感器。該工作提出了一種類似三明治結(jié)構(gòu)的柔性傳感器。該傳感器采用疏水的聚四氟乙烯薄膜作為介電層，利用兩片覆蓋銀納米線的銅片作為電極，通過(guò)類似海綿的聚二甲硅氧烷和石墨烯的導(dǎo)電復(fù)合材料作為壓力和溫度的響應(yīng)組件。通過(guò)對(duì)導(dǎo)電復(fù)合材料中石墨烯的優(yōu)化，傳感器的壓力靈敏度可以達(dá)到15.22 kPa-1，響應(yīng)時(shí)間小于74毫秒，同時(shí)傳感器經(jīng)過(guò)3000次循環(huán)測(cè)試后任可以穩(wěn)定工作。在溫度刺激的情況下，傳感器通過(guò)熱電效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)1 K的溫度傳感分辨率?；诓煌佑|材料與疏水聚四氟乙烯薄膜產(chǎn)生的電信號(hào)以及研究人員提出的查表算法，該傳感器可以有效對(duì)接觸材料進(jìn)行判別。該多功能傳感器具有成本低、材料識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，為應(yīng)對(duì)多功能器件的挑戰(zhàn)提供了一種設(shè)計(jì)思路。該工作以“Hierarchically patterned self-powered sensors formultifunctional tactile sensing” 為題發(fā)表在Science Advances上。

圖文導(dǎo)讀

圖1 多功能傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。（A）傳感器在人手指上對(duì)外界感知示意圖以及單獨(dú)傳感器的示意圖。（B）傳感器各部件的光學(xué)圖。（C）疏水聚四氟乙烯的掃描電鏡圖。（D）聚二甲硅氧烷和石墨烯復(fù)合導(dǎo)電材料的掃描電鏡圖。（E）銀納米線的掃描電鏡圖。（F）當(dāng)復(fù)合材料分別承受壓力和溫度梯度時(shí)，石墨烯/ PDMS復(fù)合材料的模擬應(yīng)變場(chǎng)（左）和電勢(shì)（右）。（G）PTFE與物體接觸時(shí)的電位。

圖1（A和B）顯示了多功能觸覺(jué)傳感器的示意圖和光學(xué)圖像，傳感器設(shè)計(jì)包括兩個(gè)垂直堆疊的部件實(shí)現(xiàn)獨(dú)立識(shí)別壓力，溫度和材料特性。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（圖1C）顯示了疏水薄膜孔隙的尺度。右上角的薄膜與水接觸角（WCA）顯示為152°，右下角的滑動(dòng)角度（SA）為28°。如圖1 D所示，導(dǎo)電復(fù)合材料具有相互連通的孔，平均孔徑約為200微米。圖1 E顯示制備的銀納米的直徑約為110 nm。傳感器的壓力傳感機(jī)器如圖1 F（左）所示。根據(jù)對(duì)于熱電效應(yīng)。當(dāng)傳感器接觸熱的物體時(shí)，傳感器顯示出溫度感應(yīng)，如圖1 F（右）所示。為了實(shí)現(xiàn)材料識(shí)別，傳感器利用了摩擦起電和靜電感。當(dāng)物體與疏水的聚四氟乙烯薄膜接觸-分離時(shí)，材料間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)（圖1G）。

圖2 傳感器的壓力和溫度的響應(yīng)電特性。（A）壓力響應(yīng)測(cè)試圖。（B）傳感器在不同壓力下的I-V測(cè)試圖。（C）傳感器在不同壓力范圍的靈敏度。（D）傳感器的壓力和電信號(hào)的輸出圖。（E）傳感器的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。（F）電流隨壓力單調(diào)增加。（G）溫度響應(yīng)測(cè)試圖。（H）不同溫差下傳感器的I-V測(cè)試圖。（I）傳感器的溫度響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。（J）測(cè)得的輸出電壓與溫度梯度的關(guān)系。（K）傳感器兩端的溫度梯度曲線。（L）對(duì)應(yīng)溫度梯度的輸出電信號(hào)。

圖2顯示了在不同壓力和溫度刺激下傳感器的電信號(hào)。圖2 A為測(cè)試壓力響應(yīng)的示意圖。圖2 B 顯示了導(dǎo)電復(fù)合材料和電極間良好的歐姆接觸。傳感器在低的壓力范圍內(nèi)具有更高的壓力靈敏度，如圖2 C所示。傳感器具有小的遲滯，如圖2 D所示。圖2 E 表明傳感器在外部壓力刺激下具有快速的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。圖2 F表明隨著壓力增加，器件具有穩(wěn)定連續(xù)的響應(yīng)特性。圖2 G為溫度響應(yīng)測(cè)試圖。圖2 H表明隨著溫度梯度增加，器件的I-V曲線發(fā)生連續(xù)的漂移。圖2 I顯示了傳感器具有快速的溫度響應(yīng)。圖2 J輸出顯示電壓與溫度梯度的關(guān)系。圖2 K和L分別顯示了傳感器兩端的不同溫度梯度以及相對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的輸出電壓。

圖3 摩擦納米發(fā)電機(jī)信號(hào)以及物體識(shí)別。（A）摩擦信號(hào)測(cè)試圖。（B）聚四氟乙烯與FEP薄膜摩擦輸出電壓。（C）不同壓力下摩擦發(fā)電機(jī)的輸出電壓。（D）不同頻率的的輸出電壓。（E）分離間距對(duì)摩擦信號(hào)的影響。（F）溫度對(duì)摩擦信號(hào)的影響。（G）不同材料與薄膜接觸后的輸出電壓。（H）Acrylic材料信號(hào)的放大曲線。（I）FEP 材料信號(hào)的放大曲線。（J）不同材料摩擦信號(hào)統(tǒng)計(jì)。（K）接觸材料的識(shí)別過(guò)程圖

圖3 A為摩擦信號(hào)測(cè)試圖。圖3 B顯示聚四氟乙烯薄膜和FEP膜接觸后產(chǎn)生的輸出電壓信號(hào)。隨著壓力的增大，輸出電壓增大，如圖3 C所示。圖3 D表明，摩擦發(fā)電機(jī)在高頻情況下，輸出電壓提高明顯。圖3 E 顯示了不同分離距離對(duì)輸出電壓信號(hào)的影響。在一定的溫度范圍內(nèi)，摩擦發(fā)電機(jī)的輸出電壓保持穩(wěn)定，如圖3 F所示。圖3 G表明在一定的壓力下，不同材料產(chǎn)生的輸出電壓明顯不同。圖3 H 和I分別為兩種材料輸出電壓信號(hào)的放大圖。圖3 J表明，F(xiàn)EP薄膜產(chǎn)生的輸出電壓最大。

圖4 傳感器應(yīng)用。（A）傳感器固定在人手指上。（B）傳感器的表面溫度。（C）光學(xué)圖像顯示傳感器控制水滴用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。（D）傳感器接觸熱杯，不同壓力刺激下的電流變化的圖。（E）傳感器的溫度響應(yīng)的電流變化的圖。（F）圖像顯示手指與杯子接觸并釋放的操作，以及產(chǎn)生的摩擦電壓信號(hào)。

傳感器通過(guò)雙面膠帶固定在人的手指上，如圖4 A所示。圖4 B表明，傳感器表面溫度低于手指的溫度。通過(guò)傳感器，研究人員可以控制液滴并對(duì)其研究，如圖4 C所示。壓力傳感器可以感知到施加在杯子上的壓力，如圖4 D所示。同時(shí)，傳感器也可以探測(cè)水杯的溫度，如圖4 E所示。另外，當(dāng)傳感器與物體接觸-分離時(shí)，摩擦發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生響應(yīng)的電信號(hào)，從而對(duì)物體材料進(jìn)行判別，如圖4 F所示。

結(jié)論

本研究提出了一種制備多功能傳感器的簡(jiǎn)單方法。利用制備的導(dǎo)電復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)和熱電效應(yīng)，傳感器可以分別實(shí)現(xiàn)壓力和溫度的響應(yīng)的測(cè)量。通過(guò)摩擦起電和靜電感應(yīng)原理，傳感器可以對(duì)接觸材料進(jìn)行識(shí)別。制備的傳感器可以應(yīng)用于智能機(jī)器人、仿生假肢健康監(jiān)測(cè)與人機(jī)接口等領(lǐng)域。