發(fā)展新一代的柔性電子器件對力學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構的彈性材料應用于柔性壓力傳感技術中，以提升器件性能。然而，在該領域中，空間任意方向力感測與多孔材料變形以及電學特性變化之間的基本相關性仍然未知，如何對復雜力-電耦合問題的精確高效解耦仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。蘇州大學功能納米與軟物質研究院劉堅教授團隊與電子信息學院陳新建教授團隊(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，來解耦復雜的非線性數學問題，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鍵協(xié)同作用。相關結果以“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計及性能分析

該傳感器由兩個具有導電圖案的柔性棉層和一個具有多孔網絡的介電彈性體薄膜組成。導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的導電銀漿涂覆到棉層表面。介電層通過特殊加工做成多孔結構，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構的，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變化的比較。微孔結構與實心結構相比，微孔結構的介電常數增加了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/多孔結構比較

解耦數學模型的建立

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

根據方程式(3)-(5)，我們可以得出結論：(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成線性關系。該結論與以固體彈性體作為介電層的三維力傳感器的結論相似。(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同時增加的卷積而產生的。(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)和擬合數據(紅點)之間的比較，結果顯示實驗數據與擬合數據的均方根誤差在3.3%以內(圖3)。因此，我們使用線性回歸方程成功地開發(fā)了一個解決這個復雜非線性問題的方法，該方法計算效率高，結果準確。它為我們理解多孔結構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)和擬合數據(紅點)對比圖

該設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

該研究開發(fā)了一種可穿戴的任意接觸力傳感設備，其特征在于具有高介電常數的多孔彈性體。與固體結構相比，多孔結構傳感器電容響應提高了三倍。并且已經成功地建立了數學模型，以解決任意接觸力和電容輸出之間的復雜非線性關系，從而機械地揭示了孔隙變形對接觸力耦合的影響。另外，傳感器已經證明了在柔性觸覺感測中的概念驗證應用，包括表面粗糙度判別，滑動檢測和手寫中的實時力映射。它為靈活地感應嵌入微結構的彈性體材料中的復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：高分子科學前沿

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