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)研究院劉堅教授團隊與電子信息學(xué)院陳新建教授團隊(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)計及性能分析

該傳感器由兩個具有導(dǎo)電圖案的柔性棉層和一個具有多孔網(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，為了對比其與實心的柔軟度，該團隊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)同時增加的卷積而產(chǎn)生的。(3)如果法向力和切向力同時作用于傳感器，則C 13，C 24和C tot，都會受到這兩個力的協(xié)同作用，即Fy×Fz或Fx×Fz的影響。當(dāng)PDiF傳感器受到一個、兩個和三個方向的外部負載時，四個單元C1、C2、C3和C4的相對電容變化的實驗測量值(藍點)和擬合數(shù)據(jù)(紅點)之間的比較，結(jié)果顯示實驗數(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)了一個解決這個復(fù)雜非線性問題的方法，該方法計算效率高，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實驗測量值(藍點)和擬合數(shù)據(jù)(紅點)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證應(yīng)用，包括表面粗糙度判別，滑動檢測和手寫中的實時力映射。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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