中科院研發(fā)可實現(xiàn)壓力、溫度和材料識別的柔性多功能傳感器

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類正在步入智能時代。當下基于人工智能技術(shù)的可穿戴傳感器正在深刻的改變?nèi)祟惖纳罘绞?。在過去的十年中，仿照人類皮膚的觸覺功能，研究人員開發(fā)了多種柔性傳感器以及電子皮膚器件，其目標是獨立人體之外模擬人類皮膚的觸覺功能，并應(yīng)用于智能機器人、健康監(jiān)測等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的柔性傳感器已經(jīng)可以出色的實現(xiàn)壓力和溫度的感知，然而對于材料的識別仍面臨眾多問題。因此，發(fā)展多功能柔性傳感器，實現(xiàn)對接觸物體的材料識別成為當前的一個重要的發(fā)展方向。

摩擦納米發(fā)電機(Triboelectric nanogenerator， TENG)通過摩擦起電和靜電感應(yīng)可以實現(xiàn)將機械能轉(zhuǎn)化為電能，為解決材料識別問題提出了重要的思路。由于不同材料表面相互接觸后產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電荷量不同，通過分析感應(yīng)電流的不同，可以實現(xiàn)對材料屬性的判別。然而，兩種材料接觸的壓力、溫度和頻率也會對摩擦信號產(chǎn)生影響，為此，需要通過開發(fā)新型的器件結(jié)構(gòu)、新的敏感傳導(dǎo)機制來滿足單一柔性傳感器對壓力、溫度和材料的分別感知和識別。

近日，在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的研究人員完成了一種可以實現(xiàn)壓力、溫度和材料識別的柔性多功能傳感器。該工作提出了一種類似三明治結(jié)構(gòu)的柔性傳感器。該傳感器采用疏水的聚四氟乙烯薄膜作為介電層，利用兩片覆蓋銀納米線的銅片作為電極，通過類似海綿的聚二甲硅氧烷和石墨烯的導(dǎo)電復(fù)合材料作為壓力和溫度的響應(yīng)組件。通過對導(dǎo)電復(fù)合材料中石墨烯的優(yōu)化，傳感器的壓力靈敏度可以達到15.22 kPa-1，響應(yīng)時間小于74毫秒，同時傳感器經(jīng)過3000次循環(huán)測試后任可以穩(wěn)定工作。

在溫度刺激的情況下，傳感器通過熱電效應(yīng)可以實現(xiàn)1 K的溫度傳感分辨率?；诓煌佑|材料與疏水聚四氟乙烯薄膜產(chǎn)生的電信號以及研究人員提出的查表算法，該傳感器可以有效對接觸材料進行判別。該多功能傳感器具有成本低、材料識別等優(yōu)點，為應(yīng)對多功能器件的挑戰(zhàn)提供了一種設(shè)計思路。該工作以“Hierarchically patterned self-powered sensors formultifunctional tactile sensing” 為題發(fā)表在《Science Advances》上。

圖1. 多功能傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。(A)傳感器在人手指上對外界感知示意圖以及單獨傳感器的示意圖。(B)傳感器各部件的光學(xué)圖。(C)疏水聚四氟乙烯的掃描電鏡圖。(D)聚二甲硅氧烷和石墨烯復(fù)合導(dǎo)電材料的掃描電鏡圖。(E)銀納米線的掃描電鏡圖。(F)當復(fù)合材料分別承受壓力和溫度梯度時，石墨烯/ PDMS復(fù)合材料的模擬應(yīng)變場(左)和電勢(右)。(G)PTFE與物體接觸時的電位。

圖1(A和B)顯示了多功能觸覺傳感器的示意圖和光學(xué)圖像，傳感器設(shè)計包括兩個垂直堆疊的部件實現(xiàn)獨立識別壓力，溫度和材料特性。掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(圖1C)顯示了疏水薄膜孔隙的尺度。 右上角的薄膜與水接觸角(WCA)顯示為152°，右下角的滑動角度(SA)為28°。如圖1 D所示，導(dǎo)電復(fù)合材料具有相互連通的孔，平均孔徑約為200微米。圖1 E顯示制備的銀納米的直徑約為110 nm。傳感器的壓力傳感機器如圖1 F(左)所示。根據(jù)對于熱電效應(yīng)。當傳感器接觸熱的物體時，傳感器顯示出溫度感應(yīng)，如圖1 F(右)所示。為了實現(xiàn)材料識別，傳感器利用了摩擦起電和靜電感。當物體與疏水的聚四氟乙烯薄膜接觸-分離時，材料間會產(chǎn)生電勢(圖1G)。

圖2.傳感器的壓力和溫度的響應(yīng)電特性。(A)壓力響應(yīng)測試圖。(B)傳感器在不同壓力下的I-V測試圖。(C)傳感器在不同壓力范圍的靈敏度。(D)傳感器的壓力和電信號的輸出圖。(E)傳感器的響應(yīng)時間測試。(F)電流隨壓力單調(diào)增加。(G)溫度響應(yīng)測試圖。(H)不同溫差下傳感器的I-V測試圖。(I)傳感器的溫度響應(yīng)時間測試。(J)測得的輸出電壓與溫度梯度的關(guān)系。(K)傳感器兩端的溫度梯度曲線。(L)對應(yīng)溫度梯度的輸出電信號。

圖2顯示了在不同壓力和溫度刺激下傳感器的電信號。圖2 A為測試壓力響應(yīng)的示意圖。圖2 B 顯示了導(dǎo)電復(fù)合材料和電極間良好的歐姆接觸。傳感器在低的壓力范圍內(nèi)具有更高的壓力靈敏度，如圖2 C所示。傳感器具有小的遲滯，如圖2 D所示。圖2 E 表明傳感器在外部壓力刺激下具有快速的響應(yīng)和恢復(fù)時間。圖2 F表明隨著壓力增加，器件具有穩(wěn)定連續(xù)的響應(yīng)特性。圖2 G為溫度響應(yīng)測試圖。圖2 H表明隨著溫度梯度增加，器件的I-V曲線發(fā)生連續(xù)的漂移。圖2 I顯示了傳感器具有快速的溫度響應(yīng)。圖2 J輸出顯示電壓與溫度梯度的關(guān)系。圖2 K和L分別顯示了傳感器兩端的不同溫度梯度以及相對應(yīng)產(chǎn)生的輸出電壓。

圖3.摩擦納米發(fā)電機信號以及物體識別。(A)摩擦信號測試圖。(B)聚四氟乙烯與FEP薄膜摩擦輸出電壓。(C)不同壓力下摩擦發(fā)電機的輸出電壓。(D)不同頻率的的輸出電壓。(E)分離間距對摩擦信號的影響。(F)溫度對摩擦信號的影響。(G)不同材料與薄膜接觸后的輸出電壓。(H)Acrylic材料信號的放大曲線。(I)FEP 材料信號的放大曲線。(J)不同材料摩擦信號統(tǒng)計。(K)接觸材料的識別過程圖

圖3 A為摩擦信號測試圖。圖3 B顯示聚四氟乙烯薄膜和FEP膜接觸后產(chǎn)生的輸出電壓信號。隨著壓力的增大，輸出電壓增大，如圖3 C所示。圖3 D表明，摩擦發(fā)電機在高頻情況下，輸出電壓提高明顯。圖3 E 顯示了不同分離距離對輸出電壓信號的影響。在一定的溫度范圍內(nèi)，摩擦發(fā)電機的輸出電壓保持穩(wěn)定，如圖3 F所示。圖3 G表明在一定的壓力下，不同材料產(chǎn)生的輸出電壓明顯不同。圖3 H 和I分別為兩種材料輸出電壓信號的放大圖。圖3 J表明，F(xiàn)EP薄膜產(chǎn)生的輸出電壓最大。

圖4.傳感器應(yīng)用。(A)傳感器固定在人手指上。(B)傳感器的表面溫度。(C)光學(xué)圖像顯示傳感器控制水滴用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。(D)傳感器接觸熱杯，不同壓力刺激下的電流變化的圖。(E)傳感器的溫度響應(yīng)的電流變化的圖。(F)圖像顯示手指與杯子接觸并釋放的操作，以及產(chǎn)生的摩擦電壓信號。

傳感器通過雙面膠帶固定在人的手指上，如圖4 A所示。 圖4 B表明，傳感器表面溫度低于手指的溫度。通過傳感器，研究人員可以控制液滴并對其研究，如圖4 C所示。壓力傳感器可以感知到施加在杯子上的壓力，如圖4 D所示。同時，傳感器也可以探測水杯的溫度，如圖4 E所示。另外，當傳感器與物體接觸-分離時，摩擦發(fā)電機可以產(chǎn)生響應(yīng)的電信號，從而對物體材料進行判別，如圖4 F所示。

本研究提出了一種制備多功能傳感器的簡單方法。利用制備的導(dǎo)電復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)和熱電效應(yīng)，傳感器可以分別實現(xiàn)壓力和溫度的響應(yīng)的測量。通過摩擦起電和靜電感應(yīng)原理，傳感器可以對接觸材料進行識別。制備的傳感器可以應(yīng)用于智能機器人、仿生假肢健康監(jiān)測與人際接口等領(lǐng)域。