中科院研发可实现压力、温度和材料识别 柔性多功能传感器
传感器通过双面胶带固定在人 手指上,如图 A所示。图 B表明,传感器表面温度低于手指 温度。通过传感器,研究人员可以控制液滴并对其研究,如图 C所示。压力传感器可以感知到施加在杯子上 压力,如图 D所示。同时,传感器也可以探测水杯 温度,如图 E所示。另外,当传感器与物体接触-分离时,摩擦发电机可以产生响应 电信号,从而对物体材料进行判别,如图 F所示。
图 (A和B)显示了多功能触觉传感器 示意图和光学图像,传感器设计包括两个垂直堆叠 部件实现独立识别压力,温度和材料特性。扫描电子显微镜(SEM)图像(图 C)显示了疏水薄膜孔隙 尺度。右上角 薄膜与水接触角(WCA)显示为 °,右下角 滑动角度(SA)为 °。如图 D所示,导电复合材料具有相互连通 孔,平均孔径约为 零零微米。图 E显示制备 银纳米 直径约为 零nm。传感器 压力传感机器如图 F(左)所示。根据对于热电效应。当传感器接触热 物体时,传感器显示出温度感应,如图 F(右)所示。为了实现材料识别,传感器利用了摩擦起电和静电感。当物体与疏水 聚 氟乙烯薄膜接触-分离时,材料间会产生电势(图 G)。
图 .多功能传感器 结构和工作原理。(A)传感器在人手指上对外界感知示意图以及单独传感器 示意图。(B)传感器各部件 光学图。(C)疏水聚 氟乙烯 扫描电镜图。(D)聚 甲硅氧烷和石墨烯复合导电材料 扫描电镜图。(E)银纳米线 扫描电镜图。(F)当复合材料分别承受压力和温度梯度时,石墨烯/PDMS复合材料 模拟应变场(左)和电势(右)。(G)PTFE与物体接触时 电位。
图 .传感器 压力和温度 响应电特性。(A)压力响应测试图。(B)传感器在不同压力下 I-V测试图。(C)传感器在不同压力范围 灵敏度。(D)传感器 压力和电信号 输出图。(E)传感器 响应时间测试。(F)电流随压力单调增加。(G)温度响应测试图。(H)不同温差下传感器 I-V测试图。(I)传感器 温度响应时间测试。(J)测得 输出电压与温度梯度 关系。(K)传感器两端 温度梯度曲线。(L)对应温度梯度 输出电信号。
图 显示了在不同压力和温度刺激下传感器 电信号。图 A为测试压力响应 示意图。图 B显示了导电复合材料和电极间良好 欧姆接触。传感器在低 压力范围内具有更高 压力灵敏度,狗粮快讯网下午报道,如图 C所示。传感器具有小 迟滞,如图 D所示。图 E表明传感器在外部压力刺激下具有快速 响应和恢复时间。图 F表明随着压力增加,器件具有稳定连续 响应特性。图 G为温度响应测试图。图 H表明随着温度梯度增加,器件 I-V曲线发生连续 漂移。图 I显示了传感器具有快速 温度响应。图 J输出显示电压与温度梯度 关系。图 K和L分别显示了传感器两端 不同温度梯度以及相对应产生 输出电压。
图 .摩擦纳米发电机信号以及物体识别。(A)摩擦信号测试图。(B)聚 氟乙烯与FEP薄膜摩擦输出电压。(C)不同压力下摩擦发电机 输出电压。(D)不同频率 输出电压。(E)分离间距对摩擦信号 影响。(F)温度对摩擦信号 影响。(G)不同材料与薄膜接触后 输出电压。(H)Acrylic材料信号 放大曲线。(I)FEP材料信号 放大曲线。(J)不同材料摩擦信号统计。(K)接触材料 识别过程图
图 A为摩擦信号测试图。图 B显示聚 氟乙烯薄膜和FEP膜接触后产生 输出电压信号。随着压力 增大,输出电压增大,如图 C所示。图 D表明,摩擦发电机在高频情况下,输出电压提高明显。图 E显示了不同分离距离对输出电压信号 影响。在 定 温度范围内,狗粮快讯网报道说,摩擦发电机 输出电压保持稳定,如图 F所示。图 G表明在 定 压力下,不同材料产生 输出电压明显不同。图 H和I分别为两种材料输出电压信号 放大图。图 J表明,FEP薄膜产生 输出电压新大。
图 .传感器应用。(A)传感器固定在人手指上。(B)传感器 表面温度。(C)光学图像显示传感器控制水滴用于生物医学应用。(D)传感器接触热杯,不同压力刺激下 电流变化 图。(E)传感器 温度响应 电流变化 图。(F)图像显示手指与杯子接触并释放 操作,以及产生 摩擦电压信号。
在温度刺激 情况下,传感器通过热电效应可以实现 K 温度传感分辨率。基于不同接触材料与疏水聚 氟乙烯薄膜产生 电信号以及研究人员提出 查表算法,该传感器可以有效对接触材料进行判别。该多功能传感器具有成本低、材料识别等优点,为应对多功能器件 挑战提供了 种设计思路。该工作以“Hierarchicallypatternedself-poweredsensorsformultifunctionaltactilesensing”为题发表在《ScienceAdvances》上。
摩擦纳米发电机(Triboelectricnanogenerator,TENG)通过摩擦起电和静电感应可以实现将机械能转化为电能,为解决材料识别问题提出了重要 思路。由于不同材料表面相互接触后产生 静电感应电荷量不同,通过分析感应电流 不同,可以实现对材料属性 判别。然而,狗粮快讯网首发,两种材料接触 压力、温度和频率也会对摩擦信号产生影响,为此,需要通过开发新型 器件结构、新 敏感传导机制来满足单 柔性传感器对压力、温度和材料 分别感知和识别。
近日,在国内科学院北京纳米能源与系统研究所 研究人员完成了 种可以实现压力、温度和材料识别 柔性多功能传感器。该工作提出了 种类似 明治结构 柔性传感器。该传感器采用疏水 聚 氟乙烯薄膜作为介电层,利用两片覆盖银纳米线 铜片作为电极,通过类似海绵 聚 甲硅氧烷和石墨烯 导电复合材料作为压力和温度 响应组件。通过对导电复合材料中石墨烯 优化,传感器 压力灵敏度可以达到 . kPa- ,响应时间小于 毫秒,同时传感器经过 零零零次循环测试后任可以稳定工作。
随着科学技术 发展,人类正在步入智能时代。当下基于人工智能技术 可穿戴传感器正在深刻 改变人类 生活方式。在过去 年中,仿照人类皮肤 触觉功能,研究人员开发了多种柔性传感器以及电子皮肤器件,其目标是独立人体之外模拟人类皮肤 触觉功能,并应用于智能机器人、健康监测等领域。现有 柔性传感器已经可以出色 实现压力和温度 感知,然而对于材料 识别仍面临众多问题。因此,发展多功能柔性传感器,实现对接触物体 材料识别成为当前 个重要 发展方向。
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