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柔性压力传感技术的前世今生

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  • 发布时间:2021-06-01 17:16
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【摘要】:通过人造皮肤对外界刺激的响应,柔性触觉传感技术在过去的十年间发展迅速。

柔性压力传感技术的前世今生

【概要描述】通过人造皮肤对外界刺激的响应,柔性触觉传感技术在过去的十年间发展迅速。

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柔性压力传感技术的前世今生

—— 离电传感技术,从液滴传感器到人造皮肤

 

    通过人造皮肤对外界刺激的响应,柔性触觉传感技术在过去的十年间发展迅速。这当中,柔性压力感知作为触觉传感最重要的一部分,更是得到广泛研究,并已经在工业、医疗和消费电子领域中得到了应用。传统上的柔性压力感知主要基于光学和电学两种机理,后者由于其更高的器件柔韧性、易集成和结构简单等优势,获得更广泛的关注。电(Iontronic)是近年来发展出的一种全新的传感机理,它通过测定在压力下发生变化的离子-电子双电层的超级电容值大小,从而记录压力数值。相比于压阻、压容、压电和摩擦电等其他传感机理,离电传感被认为具有极高的压力响应灵敏度、信噪比、抗干扰性、压力分辨率等,此外还具有比如独特的高透明性、动静态力响应宽等特性

 

    之前市面上所谓的柔性传感器只是相比较MEMS压力传感器而言,并非真的柔性压力传感。离电传感技术的发明代表着真柔性传感技术的诞生。今年是国际上首次提出离电触觉传感技术第十个年头,也是继压阻式、电容式、应变片式之后、第四种真柔性、真触觉、超轻薄、高灵敏的离电压力传感技术诞生的十周年

 

    近日,离电触觉传感技术的发明人、美国加州大学戴维斯分校生物医学工程系潘挺睿教授联合中国科学院深圳先进技术研究院的常煜副研究员,南方科技大学的王柳博士,郭传飞副教授国际顶级材料期刊Advanced Materials上发表First Decade of Iontronic Sensing: From Droplet Sensors to Flexible Electronics特邀综述文章此文章总结了离电触觉传感技术的发展,并从压力响应机理、离电功能材料、压力响应结构和离电技术应用四个方面对离电机理进行了深入的分析和介绍,并对离电机理未来的发展提出远景与方向

 

    何为离电触觉传感技术?此技术具备哪些新特性?又将引发哪些产品创新?又将会推动哪些产业发展?今天将为大家揭开离电压力传感技术的神秘面纱    

 

 

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探秘离电技术 -- 一滴水滴引发的技术革新 

 

 

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离电传感技术的诞生
    
    离电传感技术的发明是从潘挺睿教授观察到荷叶上随着微风吹动而随之震动的水滴开始。出于学术的敏感,潘教授立刻意识到这是一个超疏水表面。液-固界面有着机械不稳定性,微小的扰动都可以带来极大的不稳定。假如通过这个不稳定可以判断出力的大小,一定可以得到一个灵敏度超高的力传感器。
 
    经过潘教授和团队的同事们不断反复的实验和尝试,他们惊喜的发现这个柔弹性传感界面不仅表现出超级电容的特性,其电容大小与施加在这个结构简单的液滴传感器的压力成比例的重大突破。更令人兴奋的是,这个电容值的大小竟远高于传统平行板电容器的电容值大小。一般环境的电容噪音一般是数十pF;传统平行板电容器的测量范围也仅有数十pF,且极易受寄生电容和环境噪声的影响。然而,这一液滴传感器的电容值竟高达μF级别(1 μF= 10^6 pF)!
 
    最终,潘教授和同事们确认这种超高的电容值是源于在传导电子的电极和传导离子的电解液间,形成了一层离子电子相互作用的EDL双电层电容,并将这种全新的压力传感原理命名为离电传感(Iontronic Sensing)。离电传感技术由此诞生

 

 

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图1 离电传感机理的压力响应机理、离电功能材料、压力响应结构和技术应用四个方面及其主要分类

 

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探究离电传感机理和压力响应机理
    
    传统的平行板电容器的电容值往往受平行板正对面积、距离、介电常数几个共同因素的影响。离电双电层电容有所不同,它的电容值的大小和界面间的接触面积大小最为相关。压力大小不同,离电界面的接触程度不同,从而影响双电层电容值的大小
 
   针对离电压力响应机理,潘教授及团队研究出不同的压力响应理论公式,为传感器的性能优化提供了重要理论依据。潘教授及团队还从理论公式出发,研究传感器的结构设计对于传感器性能的影响,尤其是灵敏度。比如结构弯曲模式中,电极层的厚度、空腔的高度和宽度等结构参数如何影响传感器的压力响应。通过调控不同原理的理论公式中的工程参数,可以有方向的控制传感器性能,如灵敏度、量程。理论上的突破使离电传感技术的真正产品化成为可能。

 

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无处不在的离子功能材料
    
    离电传感器的构成一般为电子可移动的电极和离子可移动的功能材料层。离子功能材料主要分为三类:液态离子材料、固态离子材料以及天然离子材料。其中,液态离子材料可分为水系电解液和有机电解液两种。由于是液态形式,离子移动较快,所以具有高灵敏的特点。但因为是液态,所以可能存在泄漏和挥发的危险。而固态离子材料不存在液体泄露和挥发的问题。固态离子材料可分为离子凝胶、聚电解质和离子复合材料。离子复合材料主要指不具有离子性的基材如布、纸,在经过简单改造后,可以成为离子材料。比如,离子纤维布、离子纸等。离子复合材料的存在大大扩展了离电触觉传感器的形式和特征。第三类天然离子材料指自然界、生活中不需改造天然就具有离子性的材料,比如皮肤。此种材料是离电原理优势所在。利用这些天然离子材料,可以将传感结构直接融入其中,大大简化结构
 
   值得注意的是潘教授发明的离电传感技术可以不受材料限制,直接应用于各种接触材料,特别是可以在大量天然材料进行使用。因为功能材料层的选择为离子材料,而自然界中离子材料广泛存在,使得离电传感可以以极其简单的结构融入到这些材料之中;同时对于一些非离子材料,仅需要简单的离子化改造,就可以使得生活中的多种物体获得触觉传感功能,令人兴奋的是,这种离子化改造的方法是具有普适性的。选择合适的离电材料还可以使传感器获得极高的透明性,这也是离电传感器和其他原理传感器相比极大优势所在。因此,离电传感技术具备真柔性、超轻薄的、高透光的物理特性和应用广泛的特性,电子皮肤超越人类皮肤的梦想将不再只是科幻故事片中的存在

 

 

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未来已来 -- 离电触觉传感技术引领产品和应用创新

 

      

    综上所述,离电传感因其本身技术原理有着其他触觉及压力感知技术所不能望其项背的技术优势。离电传感技术的柔性特性可以颠覆性的改变传统信息器件、系统的刚性物理形态,实现信息与人、物体、环境的高效共融。实现信息获取、处理、传输、显示以及能源的柔性化,更好地实现万物互联。离电传感技术所具备的真柔性、超轻薄的、高透光的物理特性和高信噪比、环境高抗干扰性等特性。因其独特天然的技术特性,离电传感原理迅速在柔性压力感知领域占据一席之地,且在环境交互、健康监测、动作识别等应用领域引领了产品创新。例如,离电柔性感器可以附着在柔性织物上,具有超低功耗,支持多种佩戴方式(鞋、腕、袜),因此可用于对脉搏波、对心率、呼吸及血压趋势连续监测,因此可用于对人体进行7/24体征监护;基于离电传感织物的可穿戴手套可以准确获取抓握动作的压力分布;融入到鞋舌当中的柔性传感器可以直接测得步数、步频等运动数据,脉搏波、呼吸波等生理数据,并通过算法估算出血压、心血管健康情况等;配有柔性传感器的安全帽不仅可以检测安全帽真佩戴情况,还可实时监测佩戴者的生命体征,特别是公务或矿井等特殊行业,保证工作人员安全作业;基于皮肤离子功能材料的多点传感阵列,则可以对不同手势带来的肌肉运动进行测量,从而完成手语的识别。技术的创新引领了产品和应用的多样化创新,更解决了更行业应用的痛点问题,从而助力于产业的飞速发展。

 

 

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永远在路上 -- 离电传感技术赋能触觉感知技术,助力产业飞速发展

 

      

    随着各行业的多维感知需求的逐渐增强, 与人相关的触觉须克服柔性/ 噪音/ 灵敏度等遇到瓶颈,离电传感技术真正做到赋能触觉感知技术,促进工业、健康、消费电子等行业的突破性飞速发展。

 

     以医疗和健康产业为例,触觉是准确获知人体生命体征的精准方式。离电柔性传感器使脉诊仪的诊脉准确度大幅提升,让中医智慧普惠于老百姓。离电柔性传感器还可赋能于健康体检设备,例如智慧步道,检测步行者的步态及脚底压力分布,获知疑患神经退行性疾病或患病后康复情况等,从而使健康保险产业的健康评测和康复评测更加客观。目前的医疗机器人或者医疗器械均不具备触觉检测和触觉反馈的能力,这对于许多疾病的检测以及医疗器械的操控都提出了更高的要求。离电触觉传感阵列可以为各类医疗器械赋予触觉感知的本领,从而使其更加精准地分析人体内的组织和病变以及更好地与医生间实现协同合作,具有广泛的临床应用场景。

 

    离电柔性传感器可以让任意材质表面赋能为触觉可控,而且其阵列式传感布局可以提供更加自然的输入方式,因此可广泛地用于简易称重、手势输入等方案,让人与物、物与物的界面都有触觉。

 

 

    以生产和制造产业为例,确保精确的压力值至关重要。因为精确的压力值不仅能够提高设备的寿命,还可以提升生产良率,提高产线操作安全。因此,获取压力值和压力分布数据在优化和提升工业效率上成为关键因素。然而,传统的压敏纸不仅价格昂贵,而且只能给出定性的结果,即压力分布均匀或不均匀。无法进行定量的分析、只能依靠进口无法自主知识产权、价格昂贵无法保证全检等一系列问题,导致传统压力检测方法无法满足中国生产和制造业飞速发展的要求。基于离电传感技术的压力分布测量系统,不仅可以全面获知力的大小、力的分布,还可以实时记录下力变化的动态轨迹。因此,离电技术的应用可以实现工业制造过程的实时监控,降低质检成本,提高质检覆盖率和效率,提高制造提高产业良率,还可以提高产线操作安全。离电技术还可以集成于生产制造等工业设备中,赋能工业设备智能化。

    

    从技术本身来说,高信噪比离电传感信号处理、离电传感温湿度稳定性研究、可植入离电传感器件的研发等也将是离电传感技术未来的发力点。技术的不断提升和完善,将增强离电技术本身的竞争力,最终造福和助力行业发展和产品创新。

 

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