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用于电子皮肤的柔性压力传感器

发布时间:2020-09-07 访问次数:788次 来源:3xmaker合越智能 分享:

电子皮肤柔性触觉传感器可以作为织物应用于机器人或人体的外部。

如今,高性能电子材料,智能家居和物联网(IoT)技术正在迅速发展。传感器技术,特别是柔性压力传感器,现已成为人类生活中不可或缺的一部分。压力传感器的发明可以追溯到1954年,其重点是史密斯(Smith)发现的有机硅和锗的抗压缩性。柔性压力传感器的传感方法可分为压电性,电容性和压阻性。

识别这些传感器的效率在各种应用领域中至关重要,以实现最佳的实际匹配。实验表明,某些导电聚合物具有压阻作用,但是压阻对聚合物绝缘材料的影响很难达到。但是,近年来的新研究表明,导电填料可以使绝缘聚合物导电。因此,基材的选择一直是专业人员检查的关键问题,特别是导电填料。


压阻柔性压力传感器

压阻传感器通过施加外力使化合物变形。它们隐含地改变了复合材料中导电填料的接触位置和分布,然后使复合材料的电阻频繁变化。因此,它们不涉及复杂的传感器结构。与压电和电容式压力传感器不同,各种各样的压力测试,低功耗和易于生产的过程有助于对这些传感器进行广泛的分析。它们非常适合体育锻炼,密封检查和医学检查。当前,市场上有几种商业产品,例如智能胸罩,可以通过改变电阻来跟踪心搏,从而预防疾病。


电容式柔性压力传感器

电容式柔性压力传感器具有快速响应,宽动态范围和高灵敏度的特点,并建立在平行板电容器概念的基础上。通过改变电容器极板之间的距离来调节传感器的电容来工作当施加外力时。使用C =εA/ d可以找到该电容,其中d是电极之间的间距,A是有效板面积,而ε是介电常数。外部压力可以通过更改d来调整弹性材料的位移,以响应向前的力,通过更改A来调整剪切力,并通过共同更改这两个参数来调整张力。对于介电层,由于弹性体含量高的杨氏模量,例如,某些介电弹性体,如PDMS,具有5kPa的小杨氏模量,很难获得传感器的高灵敏度。


压电柔性压力传感器

由于其简单的材料制备,容易的电信号获得和低成本,研究人员对紧凑型压电压力传感器给予了更多的关注。它们主要由能够将机械能转换为电能的压电敏感化合物组成。其转导过程可以解释为:如果化合物由于外界压力而变形,则在工作化合物或材料中会发生负电荷和正电荷偏析。负电荷和正电荷在材料的两个相对侧以相反的方向出现,并且在材料内部将形成电势差。通过检查这些潜在差异来测试外部因素的影响。


电子皮肤的柔性压力传感器

凭借其出色的机械和电子输出,对柔性压力感测技术的研究近年来取得了长足的进步,并显示出实际实施的希望。这些技术增强并鼓励了许多其他传感技术的形成,包括可穿戴压力传感器和电子皮肤触觉传感器,这些技术与医学诊断,人工智能(AI)和身体健康监测领域相关。

电子皮肤柔性触觉传感器广泛用于人体皮肤战术医生的感测和热感测。电子皮肤可以作为织物应用于机器人或人体的外部,并且由于其柔软和轻巧的特性,可以作为不同的图形来处理,以模仿人类皮肤的感觉功能。此后,可以识别生理状态并可以提高机器人的智能。在1970年代,电子皮肤触觉传感器的研究首次开始。早期,触觉传感器技术已经成熟,其重点是实现可扩展性,灵活性,多功能性和轻巧性。许多触觉传感器是硅微传感器,是通过使用MEMS制成的技术。但是,那时,可扩展性和灵活性标准无法满足,并激发了研究人员寻找新材料的灵感。值得注意的新材料包括开发的“三明治”压力传感器阵列,以使电子皮肤触觉传感器具有较高的可扩展性,稳定性和灵活性,以及广泛的准确读数。这为生产AI机器人和极柔软的弹性电子皮肤奠定了坚实的基础。


电子皮肤的挑战

改善环境敏捷性和建立采用多个传感器的新的人机部署模式是当前科学技术发展的重点。与电子皮肤相关的许多挑战仍需要解决。首先,设计最佳的仿生皮肤触觉传感器以保持高拉伸率需要高度的弹性和柔韧性,这需要高水平的制备技术,材料和结构设计。因此,生产触觉传感器的高昂价格限制了电子皮肤传感器的大规模生产。

其次,解决传感器阵列的相邻传感器模块之间的信号串扰问题特别重要。设计了具有不同结构的不同类别的轻型多维或3D触觉传感器,以防止撞击。电子皮肤轻巧的触觉传感器特性也与人类皮肤的细微感觉有很大不同。而且,当前的许多触摸传感器都具有唯一的作用,主要集中在压力测量上,只有一小部分具有测量温度,压力,粗糙度,湿度和其他参数的功能。因此,新型多功能电子皮肤触觉传感器的开发必须达到人类皮肤的效率。

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