基于微纳材料和结构的柔性压力/应变传感器研究

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“电子皮肤”是一种多功能柔性传感系统,能像衣服一样附着在机器人表面,赋予机器人以触觉感知能力。这项技术的关键点之一为研究高性能的柔性压力/应变传感器。目前,柔性压力传感器方面的研究多集中在提升传感器的灵敏度方面,而响应范围却普遍很小;柔性应变传感器方面的研究多集中在单一方向应变的感知,而无法分辨未知应变的方向。针对以上问题,本文主要研究具有高灵敏度和大响应范围的柔性压力传感器和具有应变方向识别和多向感知功能的柔性应变传感器。取得的主要研究成果如下:柔性压力传感器方面:通过分析接触电阻理论在柔性接触电阻式压力传感器中的应用,指出降低器件的初始接触面积并扩展接触面积变化范围,可使传感器具有高灵敏度的同时扩展其响应范围。继而通过COMSOL Multiphysics仿真软件对具有不同微结构排布的传感器模型进行固体力学场和电流场的双场耦合分析。结果表明,通过同时增大微结构的高度和间距,可以保持较小的初始接触面积并扩展接触面积变化范围,使传感器同时具有高灵敏度和大响应范围,与接触电阻理论分析结果一致。将微结构柔性导电层与柔性叉指电极面对面组装制备了柔性接触电阻式压力传感器。通过对具有不同微结构排布的传感器的灵敏度和响应范围进行分析,验证了接触电阻理论分析和仿真分析的正确性。当微结构的高度和间距分别为80(?)m和160(?)m时,器件具有最大的高灵敏度响应范围,为0-3.28 k Pa,明显高于同类研究(≤2 k Pa)。通过对传感器的其他性能表征,表明传感器同时还具有快速响应时间(<200 ms)和长期稳定性(1000次循环),可以快速而准确的识别出不同频率和压力的触觉信号,可应用于机器人触觉感知领域。柔性应变传感器方面:通过溶液共混法制备了可印刷导电复合油墨。并通过丝网印刷和涂布工艺将导电复合材料嵌合在聚合物表面,制备了四种图案化柔性应变传感器。其中,单向应变传感器在0-20%和20%-100%应变范围内的灵敏度分别为2.13和1.37,可精确而稳定的分辨出0.5%的应变增量;双向应变传感器在拉伸方向上的输出信号会明显高于垂直于拉伸方向的输出信号,可分辨应变产生方向;全方位应变传感器对于各个方向的应变信号均可输出基本一致的波形,可用来检测任何方向产生的应变;应变花分别测量一点在三个方向上的应变值后,通过计算可获得未知应变的应变值和方向。这四种应变传感器实现了应变方向识别和多向感知功能。传感器贴附在手指和手腕关节处时,可对不同频率的弯曲信号进行检测,表明传感器可应用于机器人关节运动感知领域。针对柔性应变传感器的图案化成型工艺,提出了一种卷对卷生产流程,该流程集成了丝网印刷和涂布工艺,可连续大面积生产柔性应变传感器,有助于传感器从实验室向产业化方向发展。
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