高灵敏度全柔性指尖压力触觉传感技术的研究

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当下的可穿戴设备种类繁多,各种类型的传感器为人体相关生理数据的获取提供了有力的支持,其中柔性可穿戴传感器具有轻薄、便携、成本低、电学性能优异等特点。例如人造“电子皮肤”,集合了多种类型的柔性传感器感知来自外界的刺激,进而模仿人体皮肤的特定功能,这对于智能机器人的发展有着非常重大的意义。其中,压力触觉传感是电子皮肤十分重要的功能之一。压力触觉传感器能够将人与外界环境的接触力进行量化,然后通过将量化后的接触力转化为电学信号来实现触觉传感。可穿戴压力触觉传感器的发展趋于小型化且特异性强,比如用于指尖触觉的压力传感器不仅可以反馈指尖上的作用力,还能识别不同形状的物体、分辨物体的表面粗糙程度等。本文首先研究了一种基于液滴的电容式柔性压力传感器,并将其应用在眼压触觉感知中。该传感器利用了电极-电解质溶液接触部分存在双电层电容的传感机制,实现了高灵敏度的电容式压力传感。传感器由全柔性材料构成,具有非常简单的结构和极高的灵敏度。我们将该传感器应用于离体猪眼的眼内压测量,验证了传感器在指压法眼压测量中的应用潜能。其次,为了克服有源器件因为外接导线带来的应用不便的问题,我们将电感-电容谐振模型引入液滴传感理论中,实现了无源无引线的压力传感设备。该传感器具有几十皮法的电容,能够极大减少寄生电容的干扰并显著增强测量精度。同时,传感器具有超高的灵敏度和优异的信号再现性,且受温度的影响极小。我们通过优化传感器的几何形状,将传感器制成可以佩戴在指尖的可穿戴设备,应用于运动力学中接触力的触觉感知。最后,为了拓展我们的可穿戴式压力触觉传感器件的检测种类,更好地模拟人类皮肤,我们设计了一种基于多孔弹性体的三维力检测传感器,在测量正向压力的同时能够检测与传感器表面相切的作用力。该传感器包括四个平行板电容器,由器件的对称性获得正向力和切向力的信息。同时多孔弹性材料的引入使得传感器具有更低的材料刚度,很大程度上提高了传感器的灵敏度。
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