Illustrazione schematica e vista in sezione trasversale Immagine SEM del sensore di pressione iontronico a struttura micropillare. Credito:©Science China Press
Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo di skin elettroniche flessibili, sensori tattili flessibili ad alte prestazioni hanno ricevuto maggiore attenzione e sono stati utilizzati in molti campi come l'intelligenza artificiale, monitoraggio della salute, interazione umano-computer, e dispositivi indossabili. Tra i vari sensori, i sensori tattili capacitivi flessibili presentano i vantaggi di un'elevata sensibilità, basso consumo energetico, risposta veloce, e struttura semplice.
La sensibilità è un parametro importante del sensore. Un modo comune per migliorare la sensibilità consiste nell'introdurre microstrutture e utilizzare materiali dielettrici ionici all'interfaccia per formare un'interfaccia ione-elettronica su nanoscala con capacità specifica ultraelevata. Però, a causa dell'incomprimibilità del materiale e del design ad alta stabilità della struttura, la linearità del segnale di rilevamento è scarsa e l'intervallo di risposta alla pressione è ristretto. Il sensore ad alta linearità facilita la conversione tra capacità e pressione. Può semplificare notevolmente la progettazione del circuito e il sistema di elaborazione dei dati, e migliorare la velocità di risposta del sistema di rilevamento. Perciò, la produzione di sensori di pressione flessibili con elevata linearità e alta sensibilità è diventata una questione chiave nello sviluppo di skin elettroniche flessibili.
Recentemente, Il gruppo di ricerca di Chuan Fei Guo del Dipartimento di Scienza e Tecnologia dei Materiali della Southern University of Science and Technology ha compiuto progressi nella ricerca di sensori di pressione flessibili altamente lineari. Hanno migliorato la deformabilità della struttura progettando un elettrodo flessibile con una struttura micropillare superficiale con un ampio rapporto di aspetto che è facile da piegare e perdere stabilità. In combinazione con lo strato dielettrico in gel ionico, il sensore ha un'elevata linearità (R2~0,999) e un'elevata sensibilità (33,16 kPa -1 ) in un ampio intervallo di pressione di 12-176 kPa.
(a) Immagine SEM della sezione trasversale della curva di sensibilità e della deformazione della microstruttura. (b) Le immagini SEM della sezione trasversale di compressione e l'area di contatto cambiano le curve di materiali con diverso modulo elastico e struttura micropillared sotto pressione. Credito:©Science China Press
I micropilastri subiscono tre fasi di deformazione sotto pressione; contatto iniziale (0-6 kPa), instabilità strutturale (6-12 kPa) e fase di post-instabilità (12-176 kPa). Nella fase di post-flessione, il segnale presenta un'elevata linearità e un'elevata sensibilità.
L'elevata linearità risiede nell'adattamento del modulo dell'elettrodo a struttura micropillare e dello strato dielettrico. I micropilastri sono realizzati in gomma siliconica polidimetilsilossano (PDMS) con modulo elastico di 1 MPa, e il modulo elastico della membrana in gel ionico è 5 MPa. Attraverso l'analisi agli elementi finiti (FEA), si può sapere che un materiale con un modulo di MPa produrrà una variazione lineare dell'area di contatto quando il materiale viene estruso con una struttura a micropilastri, che corrisponde alla sensibilità lineare ottenuta nell'esperimento.
Oltre all'elevata sensibilità lineare, il sensore ha anche un limite di rilevamento basso (0,9 Pa), tempo di risposta basso (9 ms), ed elevata stabilità (durante 6000 cicli di compressione/flessione, il segnale rimane stabile). In base alle prestazioni del sensore, fanno una serie di esperimenti applicati. Un sensore è attaccato al segmento del dito medio di una mano artificiale per sollevare pesi di pesi diversi, e il segnale del sensore mostra un cambiamento a gradino con un aumento uniforme di peso (~372 pF/g). Quindi, più (21) sensori sono collegati al manipolatore per eseguire l'esperimento di presa dell'oggetto. L'array di sensori può riflettere meglio la distribuzione della pressione dell'oggetto afferrato. Il sensore viene utilizzato anche nel rilevamento dell'arteria radiale umana, e il segnale di impulso è relativamente stabile a diverse prepressioni (10,23 ~ 17,75 kPa), come mostrato in Fig. 3. Nel test di distribuzione della pressione plantare, l'array di sensori può restituire chiaramente la differenza di distribuzione della pressione in diversi stati.
Esperimento e dati sull'applicazione del sensore. Credito:©Science China Press
L'elevata sensibilità di linearità del sensore deriva dal design della struttura a micropilastri di superficie e dall'adattamento delle proprietà meccaniche degli elettrodi e dei materiali dielettrici. La combinazione del principio di stabilità di Eulero, La caratterizzazione FEA e microscopia elettronica a scansione (SEM) spiega il motivo della sensibilità lineare. L'esperimento di sollevamento pesi e l'esperimento di presa del manipolatore, il rilevamento dell'impulso umano e il test di distribuzione della pressione plantare mostrano che il sensore ha un grande potenziale di applicazione nei settori dei robot intelligenti, interazione umano-computer, e monitoraggio sanitario. Questo lavoro fornisce anche nuove idee progettuali per la ricerca di sensori lineari flessibili.
