Advanced Materials Technologies :基于全喷墨打印的大面积双模量柔性触觉传感器的研制

近年来,人工智能领域的飞速发展,对于连续、遍布全身的传感系统的需求与日俱增,以实现对环境的智能感知及实时人机交互。电子皮肤模拟人体皮肤,通过将外部刺激转换为电信号来检测温度、应变、湿度、和压力。设计制备高性能、多功能电子皮肤是该领域的发展目标。在传感器性能研究方面,对于应变感知传感器的设计制备,近年来出现的微裂纹金属膜应变传感器展现了优异的性能。而对于压力的感知,电容型的传感器具有结构简单,灵敏度高的优点。在多模电子皮肤设计制备研究方面,迄今为止,已经报道了几种同时测试压力及其他物理量的传感器,如温度或者湿度。但是,这些传感器普遍存在以下问题:(1)造成原材料浪费(2)环境不友好;(3)使用光刻、真空沉积和化学镀等复杂的制造工艺;(4)难以商业化。

最近,由北京纳米能源与系统研究所的潘曹峰究团队和北京科技大学夏志国团队合作,采用全喷墨打印技术制备了双模传感器,改传感器制备流程简单,可以同时感应压力和弯曲应变。其中,压力传感器是基于电容器原理制备的,其具有优异的压力探测性能:较高的压力灵敏度(0.0049 kPa-1,0~2.9kPa;0.081 MPa-1,2.9 kPa ~1400 kPa),较宽的压力测试范围(2Pa~1400 kPa),低压力探测极限(2Pa),优异的稳定性(5700次压力测试)以及快速的响应和恢复时间(126ms的响应时间和126ms的恢复时间)。可以通过阵列化的器件,进行压力分布和大小探测识别,实现柔软平面的分布成像。应变传感器是基于薄膜金属微裂纹的原理,其具有很高的应变灵敏系数(GF=3500),在不同应变条件下(0.76%和1.07%)良好的稳定性(4500次应变测试),快速的响应和恢复时间(154ms的响应时间和155ms的恢复时间)以及优异的可逆稳定性。其阵列化的器件可以用于测试不规则物体的弯曲大小和位置的分布。该团队进一步制备了4×4的双模传感阵列,可以同时检测到物体表面压力分布和不规则弯曲形变。将器件贴好到手掌并抓握物体时,可以检测施加握力的大小以及所抓物体的曲率半径,实现了对于握力和物体弯曲程度的量化,并且由于器件特殊的结构,测试其中一个物理量时,另外一种物理量的传感器不会受到影响,这些说明了该双模传感器良好的抗干扰能力。

该工作提供了一种利用喷墨打印技术制备双模传感器的方法,器件结构简单,性能优异,能同时检测压应力与形变。该传感器的设计制备为触觉传感器与电子皮肤的制备发展提供新的技术支持。相关工作发表在Advanced Materials Technologies (DOI:10.1002/admt.201800703)上。