Ultragevoelige reksensor op basis van flexibele piëzo-elektrische poly(vinylideenfluoride)film

Resultaten en discussie

Figuur 2a toont de oppervlaktemorfologie van de sensor na het etsen van Al, gecontroleerd met een optische microscoop. Het vrij heldere en donkere contrast suggereert een duidelijke interface tussen PVDF en de geëtste Al-elektroden. Figuur 2b, c toont de oppervlaktemorfologie en het fasesignaal van de PVDF-film van de druksensor. Er wordt aangegeven dat het oppervlak van PVDF glad is met een weefselstructuur. Het fasebeeld van de PFM-meting in figuur 2c toont een sterke respons van het piëzo-elektrische domein die consistent is met de oppervlaktestructuur die te zien is in figuur 2b. Deze resultaten suggereren dat de voorbereide sensor op basis van de PVDF-film een ​​goede piëzo-elektriciteit vertoont.

een Oppervlaktemorfologie van de voorgestelde sensor na etstechnologie. b Oppervlaktemorfologie en c fase PFM-beelden van PVDF-film van de sensor

Een typisch resultaat van het uitgangssignaal wordt getoond in Fig. 3a wanneer een constante druk van 98,1 kPa werd uitgeoefend op een van de gekwadrateerde elektrodes van de sensor [17]. De x -as en y -as tonen respectievelijk de tijd en de uitgangsspanning van de gekwadrateerde elektrode van de sensor. De uitgangsspanning werd omgezet van lading (Q) gegenereerd door de PVDF-film van de sensor. Gebaseerd op de piëzo-elektriciteitsvergelijking (waar d ₃₃ is een piëzo-elektrische constante wanneer de polarisatierichting hetzelfde is als de richting van het elektrische veld en F_Z betekent dat er druk wordt uitgeoefend op de z -richting met dezelfde richting van d ₃₃ ), kon een relatie tussen uitgangsspanning en druk worden vastgesteld. De onbewerkte gegevens werden verkregen door een bandblok van 49-51 Hz toe te passen. De pijllijn van deze figuur geeft de signalen van ongeveer 123,1 mV aan die werden gegenereerd door de druk die op de sensor werd uitgeoefend. De uitgangsspanning van de sensor door de druk wordt duidelijk weergegeven in het signaal met een lage ruis en een hoge signaal-ruisverhouding. Om de synchrone eigenschap van de sensorarray te bevestigen, werd tegelijkertijd een gelijke druk van 113,2 kPa uitgeoefend op vier eenheden van de sensor. De uitgangsspanningssignalen geïnduceerd door de druk werden getoond in figuur 3b. De bijna dezelfde uitgangswaarde van ongeveer 190 mV werd tegelijkertijd verkregen van de vier eenheden van de sensor, wat suggereert dat de sensorarray een hoge stabiliteit en synchrone eigenschap vertoonde door meerpuntsdruk toe te passen. Voor het kalibreren van de sensorarray werden verschillende drukken in het bereik van 60-150 kPa toegepast op de sensorarray; de uitgangsspanning versus de toegepaste druk werden verkregen en uitgezet als de kalibratiecurve getoond in figuur 3c, die een lineair verband vertoont. De helling van de lineaire curve is ongeveer 2,9 mV/kPa en er is een afwijking van -159,2 mV in de kalibratiecurve.

Gefilterde uitgangsspanningen voor a een elektrodevierkant en b vier elektrodevierkanten van de sensorarray. c Kalibratiecurve van de voering van de voorgestelde sensor

De hold-and-release-uitgangsrespons van één vierkante elektrode van de sensor werd verkregen door een impulsdruk met verschillende frequenties toe te passen. De uitgezette curve in Fig. 4a toont de typische respons van de sensor door de impulsdruk van ongeveer 75,1 kPa met een frequentie van 90 Hz toe te passen. De positieve uitgangsspanning komt overeen met de compressie van het elektrodevierkant van de sensorarray en de negatieve uitgangsspanning komt overeen met de relaxatie. Zoals te zien is in de inzet van figuur 4a, is de vergelijkbare hold-and-release outputrespons ook waargenomen in de kale piëzo-elektrische PVDF-film [18]. De responstijd van de uitgangsspanning van de sensor is minder dan 2 ms, wat suggereert dat de sensor een goede elektromechanische responseigenschap vertoont. De impulsdrukken binnen het bereik van 60-150 kPa werden toegepast op de sensorarray. De output-responscurves voor vasthouden en loslaten werden getoond in figuur 4b. De sensor vertoont een stabiele elektromechanische respons met een responstijd van ongeveer 2 ms onder verschillende drukken, en de uitgangsspanningen van de sensor onder verschillende drukken komen overeen met de hierboven verkregen lineaire kalibratiecurve.

De hold-and-release output respons van de druk van a 75,1 kPa, b 58,2 kPa, c 67,8 kPa, d 81,9 kPa, e 98,1 kPa, en f 153,6 kPa; de inzet toont de hold-and-release output respons verkregen uit blote PVDF film

Vervolgens wordt het uitoefenen van druk op het selectieve punt bestudeerd. Signaalinterferentie wordt getoond tussen de aangrenzende arrays, wanneer druk werd uitgeoefend op de elektrode van een van de arrays. De simulatie van signaalinterferentie werd uitgevoerd via COMSOL Multiphysics op arrays. Elk elektrodegebied is 1,4 mm ² . De geometrie van de structuur wordt getoond in Fig. 5a. De extra spanning, wanneer druk werd uitgeoefend op elektrode A, is te zien in figuur 5b, wat aangeeft dat de spanning toeneemt met de afstand tot elektrode A. De interferentie in potentiaalverschil met een drukniveau van 20~80 kPa werd bestudeerd, getoond in Afb. 5c. Het potentiaalverschil en de druk vertonen een lineair verband met een helling van 0,028 mV/kPa en een snijpunt van 5 × 10 ⁻⁴ mV, wat een zeer lage interferentie impliceert. Een druk onder 178 kPa zou signaalinterferentie van minder dan 5 mV veroorzaken, wat verwaarloosbaar is [16, 17]. Bovendien is de afhankelijkheid van interferentie van de grootte van de array-elektrode onderzocht. Afbeelding 5d toont het resultaat met elektrodeformaten van 1,2, 1,0 en 0,8 mm ² . Het laat zien dat een lineair verband tussen interferentiepotentiaalverschil en druk (in het bereik van 20~60 kPa) nog steeds kan worden waargenomen in de kleinste elektrode. De montagehellingen voor interfacespanning zijn respectievelijk 0,01748, 0,01181 en 0,00574 mV/kPa voor de drie structuren met de opgemerkte observatie van een verminderd interferentiepotentieel in kleinere elektrodegrootte.

een Fysieke afmetingen gebruikt voor theoretische simulatie. b Verplaatsing en c voeringcurve-fitting tussen interferentiespanning en toegepaste druk met een matrixgrootte van 1,4 mm. d Verkregen resultaten met arraygroottes van respectievelijk 0,8, 1,0 en 1,2 mm

Voor een eenvoudige praktische toepassing werd de sensor toegepast om de druktoestand en verdeling van de vinger van de menselijke hand te meten. Zoals we allemaal weten, bestaat de complexe vingerbeweging uit enkele basisvaardigheden, zoals shiatsu, kneden, wrijven, wrijving, enzovoort [19]. In onze experimenten werden drie meest gebruikte bewegingen, waaronder shiatsu, kneden en wrijven, geselecteerd om de druktoestand en verdeling van de vinger te testen. Figuur 6 toont een momentopname van de drukverdeling van de duimvinger die wordt gekenmerkt door de sensor tijdens respectievelijk de drie bewegingen van de vinger. In figuur 6a was duidelijk te zien dat de druk van 76 kPa gefocust was in het midden van de duimvinger tijdens de shiatsu-beweging, die heel anders zijn bij het kneden en het wrijven dat te zien is in respectievelijk figuur 6b, c. Figuur 6b laat zien dat de druk van de voorkant van de duimvinger hoger is dan de andere delen van de vinger tijdens de kneedbeweging, terwijl de druk van de duimvinger redelijk gelijkmatig is (ongeveer 68 kPa) tijdens de wrijfbeweging zoals weergegeven in Fig. 6c. De waargenomen drukverdeling in de vinger is enigszins vergelijkbaar met de eerdere rapporten in klinische observatie [17, 20]. Volgens onze metingen blijkt de reksensor op basis van flexibele ferro-elektrische PVDF-film gevoelig te zijn voor het karakteriseren van de complexe vingerbeweging. Verwacht wordt dat de vaardigheid van de menselijke vinger nauwkeuriger zal worden onderzocht door de voorgestelde sensor te gebruiken, en het zou ook nuttig zijn om de robot te ontwikkelen om in de toekomst menselijke vingers te vervangen.

De druktoestand en verdeling van de duimvingerbeweging die wordt gekenmerkt door de voorgestelde sensor:a de shiatsu, b het kneden, en c de wrijving

Kortom, een 4 × 4 sensorarray met 16 condensatoreenheden op basis van de piëzo-elektrische PVDF-dunne film is gefabriceerd en verpakt met PDMS. De sensorarray vertoont flexibele en zeer gevoelige eigenschappen. De hold-and-release-uitgangsrespons van de sensor werd verkregen door impulsdrukken met verschillende frequenties toe te passen, wat aangaf dat de sensorarray binnen 2 ms 20-300 mV-spanningssignalen kon genereren bij het uitoefenen van een druk in het bereik van 60-150 kPa. De duidelijk verschillende drukverdelingen in de vinger tijdens de vingerbeweging van de menselijke hand zijn waargenomen met behulp van de voorgestelde sensor, die naar verwachting de vaardigheid van de menselijke vingers nauwkeuriger zal onderzoeken.