西安交大科研人員基于壓力傳感器在電子皮膚領(lǐng)域取得新進(jìn)展

電子皮膚在假肢、機(jī)器人技術(shù)和人工智能等新興領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。作為電子皮膚的關(guān)鍵部分，開(kāi)發(fā)具有慢適應(yīng)I型(SA?I)機(jī)械感受器特性的柔性壓力傳感器至關(guān)重要，這不僅需要傳感器在小壓力范圍(小于10 kPa)探測(cè)微小靜態(tài)壓力變化，而且要確保在中等壓力范圍(10-100 kPa)對(duì)靜態(tài)壓力可精確穩(wěn)定地進(jìn)行控制，以完成日常的操縱性任務(wù)。目前，研發(fā)兼具寬壓力范圍、快速響應(yīng)時(shí)間、線性和低滯回壓力響應(yīng)的靈敏且穩(wěn)定的柔性壓力傳感器仍具有挑戰(zhàn)。

近日，西安交通大學(xué)李盛濤教授課題組聯(lián)合美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校Prof. Yu Huang(黃昱教授)和Prof. Xiangfeng Duan(段鑲鋒教授)課題組報(bào)道了基于具有微金字塔結(jié)構(gòu)的PDMS/CNT(聚二甲基硅氧烷/碳納米管)導(dǎo)電復(fù)合材料高性能柔性電阻式壓力傳感器簡(jiǎn)單直接的設(shè)計(jì)方法?；趥鞲衅鞯墓ぷ鳈C(jī)理，從電路模型(路)和有限元數(shù)值仿真(場(chǎng))兩方面，揭示了與以往的設(shè)計(jì)——微金字塔表面涂覆很薄的導(dǎo)電層相比，該設(shè)計(jì)方法可提供更寬的壓力量程和更高的靈敏度。結(jié)合數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了傳感器的壓力響應(yīng)取決于其間距與基底長(zhǎng)度之比，而不僅僅依賴于間距，且當(dāng)間距與基底長(zhǎng)度為1:1時(shí)，可獲得優(yōu)異的綜合性能以模擬SA-I機(jī)械感受器，該優(yōu)化設(shè)計(jì)比例的壓力傳感器可在小壓力范圍和中等壓力范圍下提供高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間、高力學(xué)穩(wěn)定性、低工作電壓和低功耗，高線性度和低滯回以及微米尺度高度均一的優(yōu)異綜合性能?；谠搩?yōu)化設(shè)計(jì)比例的傳感器，構(gòu)建了可實(shí)時(shí)地將幅值信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)且進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)膲毫鞲邢到y(tǒng)，以及可實(shí)時(shí)進(jìn)行空間分辨的壓力傳感陣列平臺(tái)。此外，鑒于微金字塔結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，基于導(dǎo)電復(fù)合材料的微金字塔結(jié)構(gòu)也可被集成到電容式、晶體管式、摩擦電式等其他類型的傳感器以獲取高的機(jī)械穩(wěn)定性。