Advanced Materials:超宽线性检测范围的柔性触觉穿戴式器件

电容式柔性触觉传感器因其结构简单、制备简易、能耗低等优势,在健康监测、人机交互、人工智能等领域引起了广泛的研究兴趣。传感的电容式触觉传感器受限于介电层的非线性介电行为和机械变形,难以在检测灵敏度和线性范围等关键参数上实现同步优化。基于此,由澳门大学应用物理及材料工程研究院周冰朴助理教授和华中科技大学胡彬教授带领的研究团队,首次设计出一种复合弹性介电体,可同步实现柔性电容式触觉传感器的高灵敏度和超宽线性范围,并展示了其在多场景的生理信号监测及多位编码的控制指令输出上的潜在应用。

受人体皮肤结构的启发,澳门大学周冰朴、华中科技大学胡彬研究团队设计出一种由低介电的微纤毛阵列和高介电的粗糙表面及微穹顶阵列构成的复合介电体。该复合介电体具有梯度式的介电性能和压缩性能,可实现介电行为与机械行为的独立调控。此外,在压力作用下,复合介电体还可实现低介电与高介电组分的串并联转换,从而同时实现介电性能和机械性能随压力的线性变化以及可控的电容变化。文章首次报道了基于该复合介电体的电容式触觉传感器,可在达至1000 kPa的压力范围内维持0.314 kPa-1的高灵敏度。该复合介电体同样适用于摩擦发电式触觉传感器,其线性介电行为以及复合结构既可实现等效面电荷密度随压力的线性变化,又可增强接触起电及静电感应。因此,传感器还可作为一种自供电设备,在同样高达1000 kPa的超宽压力范围内,有效地将外力刺激线性地转换为电压信号,对人体的健康特征及体动等进行实时监测。

图1. a) 仿皮肤结构和功能的仿生复合介电体。 b) 柔性电容式及摩擦发电式触觉传感器的超宽线性传感。c) 组合施加的外力:将电容或电压信号组编码为控制指令,用于人机交互及智能控制。

基于同步实现的高灵敏度和超宽线性范围,传感器可在很宽的压力范围内维持超高的压力分辨率,不仅可以感知不同应用场景中人体的生理信号,用于健康监测,还可以组合施加的外力,将电容或电压信号编码为控制指令,用于人机交互及智能控制。由于控制指令的输出可完全由单个器件实现,避免了多传感元件集成化的技术需求以及复杂的信号处理和转换。该复合介电体的设计解决了传统介电体的介电行为和机械行为难以分别调控的难题,为高性能柔性触觉传感器的发展提供了新颖的策略。

文章的通讯作者为周冰朴助理教授和华中科技大学胡彬教授,第一作者为澳门大学博士生冀冰。澳门大学博士生周倩为该工作做出了重要贡献,华中科技大学周军教授及澳门大学科技学院钟俊文教授亦为该工作提供了宝贵的意见。该研究由澳门特别行政区科学技术发展基金(档案编号:0037/2018/A1)及澳门大学(档案编号:MYRG2017-00089-FST, MYRG2018-00063-IAPME)资助。

论文信息:

Bio-Inspired Hybrid Dielectric for Capacitive and Triboelectric Tactile Sensors with High Sensitivity and Ultrawide Linearity Range

Bing Ji, Qian Zhou, Bin Hu*, Junwen Zhong, Jun Zhou, Bingpu Zhou*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202100859

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202100859