用于柔性超灵敏机器人触觉传感的微共形电极-介质集成

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:37
文章英文标题
Microconformal electrode-dielectric integration for flexible ultrasensitive robotic tactile sensing
正文
柔性压力传感器在医疗、机器人、可穿戴智能设备和人机界面等领域的广泛应用引起了人们的广泛关注。虽然电极和介质的微结构已经被证明对压电电容传感器的灵敏度和响应速度有了显著的提高,但是微结构电极和介质的协同影响还没有讨论。这里,我们展示了一种柔性的压电电容传感器,它采用了微结构石墨烯纳米壁( GNWs )电极和由聚二甲基硅氧烷( PDMS )和氧化锌( ZnO )压电增强剂组成的共形微结构介质层。这种带有压电薄膜的微结构组装构建了微共形GNWs / PDMS / ZnO电极-介质集成( MEDI ),可有效增强灵敏度和压力-响应范围。该传感器具有灵敏度高( 22.3   kPa-1 )、响应速度快( 25   ms )、压力范围宽( 22   kPa )等特点。有限元分析表明,ZnO薄膜压电效应引起的极化电场大大增强了传感器的电容。此外,电极与介质层的结合可以消除相邻层之间的滑移,有效提高了机械稳定性。由于其优异的综合性能,机器人触觉感知领域的潜在应用已经被成功地展示出来,包括物体抓取、盲文识别和粗糙度检测。结构电容传感器中的MEDI技术为实现高性能电子皮肤提供了新的途径,在下一代机器人触觉传感领域具有巨大的应用潜力。
文章内容(英文)
Flexible pressure sensors have attracted a lot of interest because of their widespread applications in healthcare, robotics, wearable smart devices, and human-machine interfaces. While microstructuring both the electrodes and dielectrics has been proven to have a significant improvement in the sensitivity and response speed of piezocapacitive sensors, the synergetic influence of microstructured electrodes and dielectrics has not been discussed yet. Herein, a flexible piezocapacitive sensor has been demonstrated with a microstructured graphene nanowalls (GNWs) electrode and a conformally microstructured dielectric layer that consists of polydimethylsiloxane (PDMS) and piezoelectric enhancer of zinc oxide (ZnO). Such microstructured assembly with piezoelectric film constructs a microconformal GNWs/PDMS/ZnO electrode-dielectric integration (MEDI), which can effectively enhance the sensitivity and the pressure-response range. The piezocapacitive sensor exhibits an ultra-high sensitivity (22.3 kPa −1 ), fast response speed (25 ms), and broad pressure range (22 kPa). The finite element analysis indicates that the polarized electric field caused by the ZnO film’s piezoelectric effect greatly enhances the capacitance of the sensor. Moreover, the integration of the electrode and dielectric layer can eliminate the slippage between contiguous layers, which effectively increases the mechanical stability. Benefitting from the outstanding comprehensive performance, the potential application in robotic tactile perception has been successfully demonstrated, including object grabbing, braille recognition, and roughness detection. The MEDI in structure capacitive sensors provides a new approach to achieve high-performance E-skin, which delivers great potential applications in next-generation robotic tactile sensing.
来源出处
Journal|[J]Nano EnergyVolume 80, 2021.
DOI
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105580

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