基于接觸電阻的壓力傳感器陣列技術(shù)

在過去的幾十年里，觸覺傳感器由于其在可穿戴醫(yī)療設(shè)備、機器人、假肢、人機界面和增強/虛擬現(xiàn)實中具有許多令人興奮的潛在應(yīng)用而引起了極大的關(guān)注。其中，大型陣列式壓力傳感器因可以像人體皮膚一樣進行時空壓力分析而在實現(xiàn)人工觸覺方面扮演尤為重要的角色。

然而，壓力傳感陣列走向?qū)嶋H應(yīng)用的進程目前仍然受到幾個關(guān)鍵挑戰(zhàn)的阻礙。首先，在實際應(yīng)用環(huán)節(jié)，通常需要壓力傳感器陣列能夠在包括從柔軟的生物組織到彈性機器人皮膚等在內(nèi)的任何表面上正常工作，同時保障空間精度。然而，當對柔性材料施加壓力時，承壓區(qū)域周圍的柔性材料不可避免地發(fā)生變形，從而使得未承壓區(qū)域的傳感器變形，進而在信號輸出中產(chǎn)生不必要的噪聲和串擾。這一問題可以通過在觸覺像素（taxel）之間插入額外層以隔離觸覺像素來緩解，然而，額外隔離層會擾亂壓力下傳感層的變形，從而降低了器件的壓力靈敏度。此外，壓力傳感器陣列還應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)其他物理刺激和壓力的機械解耦，換句話說，即它對壓力以外的其他機械刺激（例如彎曲）不敏感，以便在動態(tài)移動的表面上可靠地獲取時空信息，而不影響壓力傳感器的性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，韓國科學技術(shù)院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）聯(lián)合韓國電子通信研究院（Electronics and Telecommunications Research Institute）和淑明女子大學（Sookmyung Women’s University）共同提出了基于接觸電阻的壓力傳感器陣列技術(shù)，該技術(shù)基于微金字塔形和梯形機械屏障陣列的多尺度微結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以在不同模量表面和動態(tài)彎曲表面上實現(xiàn)精確的時空壓力分析，并且產(chǎn)生的機械串擾可以忽略不計。該研究以“On-skin and tele-haptic application of mechanically decoupled taxel array on dynamically moving and soft surfaces”為題，發(fā)表于npj flexible electronics期刊。

如圖1所示為置于人體手部和柔性機械手上的壓力傳感器陣列的總體示意圖。如圖1b所示，通過對機械屏障陣列的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其檢測限（LoD = 190 Pa）和彎曲靈敏度（不敏感彎曲半徑= 2.7 mm）同時最小化。將優(yōu)化后的多尺度微結(jié)構(gòu)應(yīng)用于12 × 12大面積壓力傳感陣列，在柔性表面上可實現(xiàn)無失真信號的時空壓力映射。

圖1 機械解耦的壓力傳感器（MDPS）總體示意圖

該基于接觸電阻的壓力傳感器，即MDPS的工作機理如圖2a所示。將涂有聚吡咯的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微結(jié)構(gòu)與叉指電極接觸，以隨壓力改變接觸電阻（或等效電導）。在機械解耦的壓力傳感器設(shè)計過程中，機械屏障陣列以多孔梯形棱柱（TP）的形式周期性地放置在叉指電極的外圍，而多孔金字塔形微結(jié)構(gòu)直接位于電極的頂部。其中，梯形棱柱高度為70 μm ~140 μm，金字塔形微結(jié)構(gòu)高度固定為70 μm，孔隙直徑為20 μm。采用傳統(tǒng)的金字塔形微結(jié)構(gòu)壓力傳感器（即沒有外圍梯形棱柱設(shè)計和孔隙）作為參考壓力傳感器。在一個不彎曲的平面上，因為微結(jié)構(gòu)和電極之間的物理接觸最小，使得參考壓力傳感器（上）和機械解耦的壓力傳感器（下）都有相當高的接觸電阻（Rc）。然而，當參考傳感器彎曲時，橫向應(yīng)變導致金字塔形微結(jié)構(gòu)與電極接觸，因此即使沒有施加壓力，也會使得接觸電阻產(chǎn)生不必要的下降。因此，采用傳統(tǒng)設(shè)計的參考傳感器可以采集受接觸壓力和彎曲影響的畸變映射信號。而對于機械解耦的壓力傳感器而言，比金字塔形微結(jié)構(gòu)高的梯形棱柱陣列可以防止金字塔形微結(jié)構(gòu)與彎曲電極之間的接觸，從而使其在柔性和動態(tài)運動表面上實現(xiàn)低失真壓力映射，同時具有彎曲不敏感性。

圖2 優(yōu)化彎曲不敏感性和檢測限后的機械解耦的壓力傳感器性能表征

此外，該傳感器陣列還被證實能夠在柔性表面上檢測壓力而不出現(xiàn)信號串擾，并能承受包括滾動和波動在內(nèi)的各種類型的變形。為了驗證傳感器陣列的實際可行性，研究人員將傳感器安裝在手指和前臂上，分別用于盲文閱讀和基于機器學習的字母識別。同時，研究人員還演示了一種在軟體機器人和用戶之間傳輸觸覺的遠程觸覺系統(tǒng)，并證明了由于傳感器在柔性彎曲表面上的良好功能性，準確的觸覺信號傳輸是可行的。

圖3 機械解耦的壓力傳感器在皮膚上的應(yīng)用

圖4 遠程觸覺系統(tǒng)演示

綜上所述，在這項工作中，研究人員設(shè)計了一種基于微結(jié)構(gòu)接觸電阻的壓力傳感器，該傳感器實現(xiàn)了檢測限（觸覺傳感的關(guān)鍵性能指標）和彎曲不敏感性之間的平衡。所展示的傳感器陣列的特性以及相應(yīng)的應(yīng)用實例將為壓力傳感陣列在人機界面、虛擬/增強現(xiàn)實、可穿戴電子設(shè)備和軟體機器人等各種應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展鋪平道路。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41528-022-00233-0

審核編輯 ：李倩