中科院研发可实现压力、温度和材料识别的柔性多功能传感器
随着科学技术的发展，人类正在步入智能时代。当下基于人工智能技术的可穿戴传感器正在深刻的改变人类的生活方式。在过去的十年中，仿照人类皮肤的触觉功能，研究人员开发了多种柔性传感器以及电子皮肤器件，其目标是独立人体之外模拟人类皮肤的触觉功能，并应用于智能机器人、健康监测等领域。现有的柔性传感器已经可以出色的实现压力和温度的感知，然而对于材料的识别仍面临众多问题。因此，发展多功能柔性传感器，实现对接触物体的材料识别成为当前的一个重要的发展方向。
摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator， TENG)通过摩擦起电和静电感应可以实现将机械能转化为电能，为解决材料识别问题提出了重要的思路。由于不同材料表面相互接触后产生的静电感应电荷量不同，通过分析感应电流的不同，可以实现对材料属性的判别。然而，两种材料接触的压力、温度和频率也会对摩擦信号产生影响，为此，需要通过开发新型的器件结构、新的敏感传导机制来满足单一柔性传感器对压力、温度和材料的分别感知和识别。
近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所的研究人员完成了一种可以实现压力、温度和材料识别的柔性多功能传感器。该工作提出了一种类似三明治结构的柔性传感器。该传感器采用疏水的聚四氟乙烯薄膜作为介电层，利用两片覆盖银纳米线的铜片作为电极，通过类似海绵的聚二甲硅氧烷和石墨烯的导电复合材料作为压力和温度的响应组件。通过对导电复合材料中石墨烯的优化，传感器的压力灵敏度可以达到15.22 kPa-1，响应时间小于74毫秒，同时传感器经过3000次循环测试后任可以稳定工作。
在温度刺激的情况下，传感器通过热电效应可以实现1 K的温度传感分辨率。基于不同接触材料与疏水聚四氟乙烯薄膜产生的电信号以及研究人员提出的查表算法，该传感器可以有效对接触材料进行判别。该多功能传感器具有成本低、材料识别等优点，为应对多功能器件的挑战提供了一种设计思路。该工作以“Hierarchically patterned self-powered sensors formultifunctional tactile sensing” 为题发表在《Science Advances》上。
图1. 多功能传感器的结构和工作原理。(A)传感器在人手指上对外界感知示意图以及单独传感器的示意图。(B)传感器各部件的光学图。(C)疏水聚四氟乙烯的扫描电镜图。(D)聚二甲硅氧烷和石墨烯复合导电材料的扫描电镜图。(E)银纳米线的扫描电镜图。(F)当复合材料分别承受压力和温度梯度时，石墨烯/ PDMS复合材料的模拟应变场(左)和电势(右)。(G)PTFE与物体接触时的电位。
图1(A和B)显示了多功能触觉传感器的示意图和光学图像，传感器设计包括两个垂直堆叠的部件实现独立识别压力，温度和材料特性。扫描电子显微镜(SEM)图像(图1C)显示了疏水薄膜孔隙的尺度。 右上角的薄膜与水接触角(WCA)显示为152°，右下角的滑动角度(SA)为28°。如图1 D所示，导电复合材料具有相互连通的孔，平均孔径约为200微米。图1 E显示制备的银纳米的直径约为110 nm。传感器的压力传感机器如图1 F(左)所示。根据对于热电效应。当传感器接触热的物体时，传感器显示出温度感应，如图1 F(右)所示。为了实现材料识别，传感器利用了摩擦起电和静电感。当物体与疏水的聚四氟乙烯薄膜接触-分离时，材料间会产生电势(图1G)。
图2.传感器的压力和温度的响应电特性。(A)压力响应测试图。(B)传感器在不同压力下的I-V测试图。(C)传感器在不同压力范围的灵敏度。(D)传感器的压力和电信号的输出图。(E)传感器的响应时间测试。(F)电流随压力单调增加。(G)温度响应测试图。(H)不同温差下传感器的I-V测试图。(I)传感器的温度响应时间测试。(J)测得的输出电压与温度梯度的关系。(K)传感器两端的温度梯度曲线。(L)对应温度梯度的输出电信号。
图2显示了在不同压力和温度刺激下传感器的电信号。图2 A为测试压力响应的示意图。图2 B 显示了导电复合材料和电极间良好的欧姆接触。传感器在低的压力范围内具有更高的压力灵敏度，如图2 C所示。传感器具有小的迟滞，如图2 D所示。图2 E 表明传感器在外部压力刺激下具有快速的响应和恢复时间。图2 F表明随着压力增加，器件具有稳定连续的响应特性。图2 G为温度响应测试图。图2 H表明随着温度梯度增加，器件的I-V曲线发生连续的漂移。图2 I显示了传感器具有快速的温度响应。图2 J输出显示电压与温度梯度的关系。图2 K和L分别显示了传感器两端的不同温度梯度以及相对应产生的输出电压。
图3.摩擦纳米发电机信号以及物体识别。(A)摩擦信号测试图。(B)聚四氟乙烯与FEP薄膜摩擦输出电压。(C)不同压力下摩擦发电机的输出电压。(D)不同频率的的输出电压。(E)分离间距对摩擦信号的影响。(F)温度对摩擦信号的影响。(G)不同材料与薄膜接触后的输出电压。(H)Acrylic材料信号的放大曲线。(I)FEP 材料信号的放大曲线。(J)不同材料摩擦信号统计。(K)接触材料的识别过程图
图3 A为摩擦信号测试图。图3 B显示聚四氟乙烯薄膜和FEP膜接触后产生的输出电压信号。随着压力的增大，输出电压增大，如图3 C所示。图3 D表明，摩擦发电机在高频情况下，输出电压提高明显。图3 E 显示了不同分离距离对输出电压信号的影响。在一定的温度范围内，摩擦发电机的输出电压保持稳定，如图3 F所示。图3 G表明在一定的压力下，不同材料产生的输出电压明显不同。图3 H 和I分别为两种材料输出电压信号的放大图。图3 J表明，FEP薄膜产生的输出电压。
图4.传感器应用。(A)传感器固定在人手指上。(B)传感器的表面温度。(C)光学图像显示传感器控制水滴用于生物医学应用。(D)传感器接触热杯，不同压力刺激下的电流变化的图。(E)传感器的温度响应的电流变化的图。(F)图像显示手指与杯子接触并释放的操作，以及产生的摩擦电压信号。
传感器通过双面胶带固定在人的手指上，如图4 A所示。 图4 B表明，传感器表面温度低于手指的温度。通过传感器，研究人员可以控制液滴并对其研究，如图4 C所示。压力传感器可以感知到施加在杯子上的压力，如图4 D所示。同时，传感器也可以探测水杯的温度，如图4 E所示。另外，当传感器与物体接触-分离时，摩擦发电机可以产生响应的电信号，从而对物体材料进行判别，如图4 F所示。
本研究提出了一种制备多功能传感器的简单方法。利用制备的导电复合材料的压阻效应和热电效应，传感器可以分别实现压力和温度的响应的测量。通过摩擦起电和静电感应原理，传感器可以对接触材料进行识别。制备的传感器可以应用于智能机器人、仿生假肢健康监测与人际接口等领域。
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