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南方科技大學(xué):開發(fā)可精準(zhǔn)計量的柔性壓力傳感器

更新時間:2025-03-15   點擊次數(shù):2次

2024年3月21日,南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系郭傳飛教授和力學(xué)與航空航天工程系楊燦輝助理教授研究團(tuán)隊合作開發(fā)了一種無漂移柔性壓力傳感器,解決了柔性壓力傳感器中由于軟材料蠕變導(dǎo)致的難以精準(zhǔn)測量靜態(tài)壓力的普遍性難題。

柔性壓力傳感器可將壓力轉(zhuǎn)化為電信號,而“離-電型"柔性壓力傳感器——一種具有靈敏度的器件,更是在機(jī)器人觸覺、虛擬現(xiàn)實以及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。但現(xiàn)有的柔性壓力傳感器普遍存在明顯的信號漂移問題。信號漂移一方面來自于離子凝膠的漏液,另一方面來自于軟材料的蠕變。因此,柔性壓力傳感器往往“測得靈敏",但“測不準(zhǔn)",無法用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)壓力的精準(zhǔn)計量,使得這種器件在諸多領(lǐng)域無法替代傳統(tǒng)的硬質(zhì)傳感器。


針對上述挑戰(zhàn),研究團(tuán)隊基于軟材料力學(xué)原理,從材料的分子結(jié)構(gòu)入手,設(shè)計、制備了一種無泄漏、低蠕變的聚電解質(zhì)離子導(dǎo)電彈性體,有效地抑制了離-電型柔性壓力傳感器的信號漂移。這種材料是一種共聚物,包含有帶電的分子鏈段以及不帶電的潤滑中性鏈段(圖1d)。前者把陽離子束縛在分子鏈上,以網(wǎng)絡(luò)彈性阻礙離子的向外擴(kuò)散,有效避免離子泄露;后者可有效降低分子鏈之間的靜電吸引,大幅降低材料的蠕變。在上述分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,團(tuán)隊提高交聯(lián)密度,進(jìn)一步降低了材料的蠕變。

制備的離子導(dǎo)體是一種聚電解質(zhì)彈性體(PEE),P(AMT-co-MA)-PMA,具有抗蠕變性。在200kPa拉應(yīng)力下,樣品保持穩(wěn)定的機(jī)械和電氣性能(例如拉伸應(yīng)變和阻抗);當(dāng)受到峰值應(yīng)力為400kPa、頻率為1Hz的三角波循環(huán)載荷時,峰值應(yīng)變在10萬次循環(huán)中幾乎沒有變化。研究團(tuán)隊一共制備了三種PEE,只含有帶電分子鏈段的PAMT表示為PEE1,同時含有帶電分子鏈段和不帶電的可滑中性鏈段的P(AMT-co-MA)表示為PEE2,以及在PEE2基礎(chǔ)上加入長鏈PMA增韌的P(AMT-co-MA)-PMA表示為PEE3。三種材料的單軸拉伸曲線如圖2c所示。增韌的PEE3的性能得到顯著提升,具有61.3%的斷裂應(yīng)變,560kPa的拉伸強(qiáng)度,323.5 J m-2的斷裂能和8.2 MPa的壓縮強(qiáng)度。PEE具有非粘性表面并且表現(xiàn)出低遲滯。PEE與金電極的粘附能為20.78 J m-2(圖2g),在加卸載循環(huán)測試中,次和第1000次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎重疊,在1000次循環(huán)中平均遲滯<3%(圖2h)。離子導(dǎo)體的電學(xué)性能同樣至關(guān)重要,團(tuán)隊對PEE3進(jìn)行交流阻抗測量并畫出其奈奎斯特曲線和波德相位圖。

團(tuán)隊通過在兩層金電極之間夾一層PEE來構(gòu)建傳感器。當(dāng)受到2.5 kPa的瞬間載荷時,傳感器的響應(yīng)時間約3.8 ms,恢復(fù)時間約5.8 ms。傳感器在0-1000 kPa范圍內(nèi)都表現(xiàn)出較高的靈敏度。向傳感器施加約500 kPa的靜壓,其電容在48小時內(nèi)漂移量低于1%。向傳感器施加400kPa的方波循環(huán)載荷,傳感器在總共1000個循環(huán)中的每個循環(huán)相應(yīng)地輸出方波信號。團(tuán)隊也在更復(fù)雜的情況下驗證了傳感器的無漂移性能,通過在375 kPa的靜壓上疊加50 kPa的周期性波動,傳感器的響應(yīng)與刺激同相。作為對比,研究團(tuán)隊選用了目前廣泛使用的離子凝膠(PVDF-HFP)-[EMIM][TFSI]進(jìn)行比較,在500kPa的靜態(tài)壓縮下,電容信號在10分鐘內(nèi)漂移約102.9%。其信號同時也在方波循環(huán)載荷中漂移,或在疊加靜態(tài)和動態(tài)載荷的情況下漂移。

研究團(tuán)隊提出了漂移比和漂移率兩個指標(biāo)來定量表征靜壓下的信號穩(wěn)定性。團(tuán)隊共制作了十種傳感器,其離子導(dǎo)體分別為優(yōu)化的PEE、三種未優(yōu)化的PEE、四種離子凝膠、一種水凝膠以及一種鋰鹽摻雜彈性體。在500kPa靜態(tài)壓力下連續(xù)測試10分鐘,基于優(yōu)化PEE的傳感器在10分鐘內(nèi)表現(xiàn)出約0.33%的平均漂移比,比所有其他傳感器低兩個數(shù)量級。此外,基于優(yōu)化PEE的傳感器在500kPa下的漂移率比其他傳感器的漂移率低2-4個數(shù)量級。研究人員采用傳感器產(chǎn)生漂移行為時壓力和其自身模量的比值,即P/E,來表征傳感器在沒有信號漂移的情況下工作的許用壓力?;趦?yōu)化PEE的傳感器可以在0.45的P/E下工作,相比之下使用傳統(tǒng)軟材料的傳感器和傳統(tǒng)硅基傳感器僅在低于10-4和10-3的P/E時實現(xiàn)無漂移傳感.

最后,研究人員將傳感器集成到一個機(jī)械抓手上展示了準(zhǔn)確傳感-控制-驅(qū)動的一體化系統(tǒng)。該機(jī)械抓手由一個電機(jī)驅(qū)動,并配備了一個用于力監(jiān)測的商業(yè)傳感器。使用一個Arduino板來驅(qū)動電機(jī)以改變機(jī)械抓手的閉合程度(DGC),并利用傳感器的信號作為輸入采用PID程序來控制DGC。該工作演示了集成有無信號漂移傳感器機(jī)械抓手的精確控制。其可以在350 kPa的高夾緊壓力下穩(wěn)定地抓住鋼塊。當(dāng)機(jī)械抓手開始工作時,接觸夾持物后電容上升,一旦達(dá)到電容的設(shè)定值,DGC被固定,并向機(jī)械抓手發(fā)送命令以提升鋼塊。機(jī)械抓手可以穩(wěn)定地夾住鋼塊20 min,在此期間DGC和夾持力都保持穩(wěn)定。相比之下,將有漂移行為的基于離子凝膠的傳感器集成到機(jī)械抓手上,在350 kPa的固定壓力下PID程序會不斷調(diào)整DGC,使電容接近設(shè)定值,導(dǎo)致鋼塊滑脫?;跓o信號漂移傳感器對力的精確檢測,機(jī)械抓手可以安全操作脆弱的物體,研究人員演示了在1500秒內(nèi)穩(wěn)定抓住一個小番茄。相比之下,當(dāng)使用基于水凝膠的傳感器時,水凝膠脫水會導(dǎo)致電信號的降低而導(dǎo)致DGC增加,最終機(jī)械抓手捏壞了小番茄。


可精準(zhǔn)計量的柔性壓力傳感器具有大規(guī)模工程化應(yīng)用價值,在智能穿戴、人形機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


來源:傳感器專家網(wǎng)



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