發(fā)展新一代的柔性電子器件對力學(xué)傳感提出了更高的要求，即不僅可以檢測到傳感器表面的法向力/壓力，還需要同時(shí)感測切向載荷。許多研究已提出將具有各種多孔結(jié)構(gòu)的彈性材料應(yīng)用于柔性壓力傳感技術(shù)中，以提升器件性能。然而，在該領(lǐng)域中，空間任意方向力感測與多孔材料變形以及電學(xué)特性變化之間的基本相關(guān)性仍然未知，如何對復(fù)雜力-電耦合問題的精確高效解耦仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院劉堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)與電子信息學(xué)院陳新建教授團(tuán)隊(duì)(共同通訊)在多孔彈性介電材料、柔性織物電極的基礎(chǔ)上，發(fā)展了可用于空間任意方向力檢測的柔性傳感器，并提出一種高效的線性擬合法，來解耦復(fù)雜的非線性數(shù)學(xué)問題，揭示了多孔彈性體在電性能增強(qiáng)和任意接觸力引起的幾何變形之間的關(guān)鍵協(xié)同作用。相關(guān)結(jié)果以“Sensing ArbitraryContact Forces with a Flexible Porous Dielectric Elastomer”為題發(fā)表在《Materials Horizons》期刊，蘇州大學(xué)聶寶清副研究員為第一作者。

基于多孔彈性介電材料的傳感器設(shè)計(jì)及性能分析

該傳感器由兩個(gè)具有導(dǎo)電圖案的柔性棉層和一個(gè)具有多孔網(wǎng)絡(luò)的介電彈性體薄膜組成。導(dǎo)電圖案化的柔性棉層是利用膠帶掩膜板將體積電阻率為100mΩ mm的導(dǎo)電銀漿涂覆到棉層表面。介電層通過特殊加工做成多孔結(jié)構(gòu)，然后通過一系列組裝制成基于多孔介電彈性體的傳感器。

圖1傳感器制作流程

傳感器的介電層采用的是微孔結(jié)構(gòu)的，為了對比其與實(shí)心的柔軟度，該團(tuán)隊(duì)做了固體和微孔彈性體之間介電常數(shù)變化的比較。微孔結(jié)構(gòu)與實(shí)心結(jié)構(gòu)相比，微孔結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)增加了35.58%。具有多孔彈性體的傳感器在壓縮力下的電容變化是固態(tài)彈性體傳感器的3倍。

圖2固體/多孔結(jié)構(gòu)比較

解耦數(shù)學(xué)模型的建立

為了確定三維力與電容輸出之間的轉(zhuǎn)換原理，我們建立了力與電容之間的系數(shù)矩陣A。具體而言，我們使用最小二乘法基于的數(shù)據(jù)集( ΔC1/C10 、 ΔC2/C20 、 ΔC3/C30 、 ΔC4/C40 、 Fx 、 Fy 、 Fz)構(gòu)造系數(shù)矩陣。力和電容可通過以下方程進(jìn)行預(yù)測：

根據(jù)方程式(3)-(5)，我們可以得出結(jié)論：(1)如果僅施加切向力，則C 13和C 24分別與Fy和Fx成正比;如果僅施加法向力，C tot與Fz成線性關(guān)系。該結(jié)論與以固體彈性體作為介電層的三維力傳感器的結(jié)論相似。(2)C tot在很大程度上受到公式(5)中切向力的二次項(xiàng)的影響。它是由于Fx或Fy的存在使重疊面積變化(增加或減少)和介電材料的介電常數(shù)同時(shí)增加的卷積而產(chǎn)生的。(3)如果法向力和切向力同時(shí)作用于傳感器，則C 13，C 24和C tot，都會受到這兩個(gè)力的協(xié)同作用，即Fy×Fz或Fx×Fz的影響。當(dāng)PDiF傳感器受到一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)方向的外部負(fù)載時(shí)，四個(gè)單元C1、C2、C3和C4的相對電容變化的實(shí)驗(yàn)測量值(藍(lán)點(diǎn))和擬合數(shù)據(jù)(紅點(diǎn))之間的比較，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)的均方根誤差在3.3%以內(nèi)(圖3)。因此，我們使用線性回歸方程成功地開發(fā)了一個(gè)解決這個(gè)復(fù)雜非線性問題的方法，該方法計(jì)算效率高，結(jié)果準(zhǔn)確。它為我們理解多孔結(jié)構(gòu)受任意三維接觸力的影響提供了重要線索。

圖3實(shí)驗(yàn)測量值(藍(lán)點(diǎn))和擬合數(shù)據(jù)(紅點(diǎn))對比圖

該設(shè)備已在多種情況下用于軟接觸力檢測，包括表面粗糙度區(qū)分，物體滑移測量和手寫識別。集成了多孔彈性體的傳感器為新興的可穿戴電子設(shè)備提供了高度靈敏且靈活的觸覺傳感平臺。

圖4表面粗糙度區(qū)分，物體滑移測量

總結(jié)

該研究開發(fā)了一種可穿戴的任意接觸力傳感設(shè)備，其特征在于具有高介電常數(shù)的多孔彈性體。與固體結(jié)構(gòu)相比，多孔結(jié)構(gòu)傳感器電容響應(yīng)提高了三倍。并且已經(jīng)成功地建立了數(shù)學(xué)模型，以解決任意接觸力和電容輸出之間的復(fù)雜非線性關(guān)系，從而機(jī)械地揭示了孔隙變形對接觸力耦合的影響。另外，傳感器已經(jīng)證明了在柔性觸覺感測中的概念驗(yàn)證應(yīng)用，包括表面粗糙度判別，滑動檢測和手寫中的實(shí)時(shí)力映射。它為靈活地感應(yīng)嵌入微結(jié)構(gòu)的彈性體材料中的復(fù)雜接觸力提供了一種途徑。

原文發(fā)表鏈接：

Materials Horizons, 2021, DOI:10.1039/D0MH01359E

來源：高分子科學(xué)前沿

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