基于固液界面的超灵敏摩擦电触觉传感器

随着物联网的发展,开发高灵敏度的触觉传感器对可穿戴电子和健康监测具有重要研究意义。以兼具磁性和流动性的磁流体为摩擦材料,我们构建了基于固液界面的摩擦电式自驱动触觉传感器,该器件中磁流体在磁场作用下快速形成锥状的表面微结构,在受压时与PTFE薄膜之间发生电荷转移,通过调控磁场能够高效地实现微结构形貌的动态调节,获得了21.48 kPa⁻¹的超高灵敏度,实现了对微小外力的高灵敏及快速感知。
A Liquid-Solid Interface-Based Triboelectric Tactile Sensor with Ultrahigh Sensitivity of 21.48 kPa⁻¹

Jingya Liu, Zhen Wen*, Hao Lei, Zhenqiu Gao, Xuhui Sun*

Nano-Micro Letters (2022)14: 88

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00831-7

本文亮点

1. 设计了一种基于磁流体的固液界面自驱动摩擦电式触觉传感器,在磁场作用下其表面的锥状微结构能够瞬时形成。

2. 得益于高表面微结构、低磁流体杨氏模量和有效的固液界面接触起电,该传感器在磁场调控后实现了21.48 kPa⁻¹的超高灵敏度

3. 通过将器件单元阵列化,提出了一种高安全等级的个性化触摸密码锁策略。

内容简介

在万物互联的时代下高灵敏度的触觉传感器对信号检测和数据收集十分重要。以兼具磁性和流动性的磁流体为摩擦层材料,构建了基于固液界面的单电极工作模式的摩擦电自驱动压力传感器(FTTS)。通过外置磁铁能够快速简单地形成尖锥状的表面微结构,通过调控磁场能够高效地实现微结构形貌的动态调控。以磁铁距磁流体摩擦层的距离D和磁铁旋转角度a为研究对象,研究了不同器件结构对传感性能的影响规律。发现在D=12 mm时,尖锥状的表面微结构高度超过1 mm,传感器在小压力区(0-2.5 kPa)灵敏度高达21.48 kPa⁻¹,在大压力区(2.5-35 kPa)灵敏度为1.14 kPa⁻¹,其超高灵敏度可归因于微尖结构的高度、磁流体的低杨氏模量以及有效的固液界面接触起电。最后将传感器单元制备成3×3的阵列作为一种新型触觉密码锁,对输入密码组合时特定数字的压力大小提出了不同的个性化要求,实现了解锁时按压位置和施力大小的双重保护,展现了其未来在智能家居、智能安防和物联网领域的应用潜力。

图文导读

磁流体的动态行为分析

深入了解磁流体在磁场调控下响应过程的动态行为变化具有重要意义。如图1a所示,放置永磁铁后上方的磁流体的光滑表面立即形成许多尖锥状的表面微结构。当与磁铁的距离(D)以及磁铁旋转角度(a)变化时,单个磁流体微尖高度(H)和与水平面的倾斜角度(b)也随之发生了变化。此外,对磁场中磁流体的受力情况进行了分析,当磁场强度足够强时,磁力可以克服表面张力和重力,产生法向场不稳定现象,即在磁流体的光滑表面自然形成很多微尖形状的褶皱。

图1. (a) FTTS的示意图,插图显示了磁流体在磁场下的微结构形貌;(b)与磁流体接触的PTFE膜的SEM图像,插图为接触角照片;磁流体在磁铁的(c)距离和(d)角度变化时的动态行为示意图和实时显微镜图像;不同磁铁位置与尖锥几何参数之间的定量关系:(e)距离与高度,(f)旋转角度与倾角,(g)磁流体在磁场下的受力分析。

II FTTS的基本结构和传感性能

FTTS结构如图2a所示,该器件的TENG模型是单电极模式,电极选用铝箔,受压时磁流体与PTFE膜之间发生电荷转移。FTTS既可以响应静态压力,随着施加压力从130 Pa增加到1146 Pa,输出的电压信号也从0.01 V增大到0.25 V;也可以响应动态压力,压力每动态增加一档,电压信号也能够相应地上升一级,电压信号的曲线呈现出阶梯式的输出。此外,FTTS探测到的最小力极限为1.25 Pa,响应时间约为90 ms,较为快速,适用于探测人体大部分动作。
图2. (a) FTTS的结构示意图;(b)通过电子云相互作用解释接触起电现象;(c)依次施加不同大小压力时FTTS的输出电压值,插图显示FTTS的最低探测限;(d) FTTS的响应时间;(e) FTTS在动态连续变化压力下的实时输出电压变化。
III 磁铁处于不同距离D时FTTS的压力传感性能研究

通过不同的D调控磁场强度,改变表面微结构形貌,从而影响传感性能。在D=12 mm时,FTTS在两个区域的灵敏度都是最大的,分别在0-2.5 kPa和2.5-35 kPa的范围内达到了21.48 kPa⁻¹和1.14 kPa⁻¹的超高灵敏度,实验结果与理论分析一致,因为当D=12 mm时,尖锥微结构的高度最高,压力传感灵敏度也最高。此外,磁流体本质上拥有液体的流动性,赋予其相对较小的杨氏模量,这也有助于FTTS基于磁场调控优化微结构后实现21.48 kPa⁻¹的超高灵敏度。

图3. (a) 不同D时磁流体形貌的照片;(b) 不同距离下产生的磁场强度的表征,插图显示了距离变化方向上的磁感应线;(c-g) D从0毫米到16毫米,每间隔4毫米所测量电压的相对变化与施加在装置上的压力之间的线性拟合;总结FTTS在磁铁的不同D下 (h)灵敏度和(i)检测范围的变化。
IV 磁铁处于不同旋转角度a时FTTS的压力传感性能研究

通过不同的a调控法向上的磁场强度,改变表面微结构形貌,从而影响传感性能。由于a=60°时磁流体无法再形成微尖结构,我们只研究磁铁中心与磁流体垂直距离D=4 mm保持不变时,磁铁旋转角度a=15°、30°、45°下的情况。前期随着旋转角度a从0°增加到30°,磁流体微结构逐渐倾斜,FTTS在区域I和区域II的灵敏度都是增加的;但在a增加到45°时,灵敏度急剧减小,这是因为45°时,法向上的磁场强度过于弱磁流体微结构只能勉强成型。

图4. (a)不同旋转角度下产生的磁场强度的表征;(b-d) a从15°到45°,每间隔15°所测量电压的相对变化与施加在装置上的压力之间的线性拟合;(e)总结FTTS在磁铁的不同a下灵敏度变化;(f)倾斜的磁流体微尖被按压时的示意图。
基于FTTS阵列的新型密码锁
以FTTS为单元制作了3×3的阵列来模拟一个九位数字密码锁,每个单元都标有数字1-9。在相同外力按压下,每个FTTS单元的D不同都会有不同的电压输出,因而通过调整器件结构,对输入密码组合时的特定点的压力提出不同要求,给用户带来了按压位置与施力大小的双重保护,未来在智能安防和物联网领域有着巨大的潜力。

图5. (a)人员解锁密码锁的示意图;(b)FTTS作为九位密码锁;(c)按压密码“2468”时三维电压等高线图;密码仍为“2468”时,在(d)所有FTTS单元D=0 mm,(e)“4”处对应的FTTS单元D=4 mm,(f) “8”处对应的FTTS单元D=8 mm三种情况下使用相同外力按压解锁的电压输出三维图。
作者简介

刘静雅

本文第一作者

苏州大学 硕士研究生

主要研究领域

摩擦电自驱动压力传感器。

孙旭辉

本文通讯作者

苏州大学 教授

主要研究领域

柔性传感器及自驱动传感,纳米材料和纳米功能器件及其在电子信息、新能源和化学传感器方面的研究,以及同步辐射技术及其在纳米材料研究中的应用研究。

个人简介

苏州大学功能纳米与软物质研究院特聘教授、博士生导师,于清华大学获理学学士、硕士学位,香港城市大学超金刚石及先进薄膜研究中心及化学和生物系博士学位,2003-2005年加拿大西安大略大学化学系博士后,2005-2007年美国国家宇航局(NASA) Ames研究中心纳米技术中心博士后,2007-2009年NASA Ames研究中心先进研究实验室研究员及美国圣塔克拉拉大学兼职助理教授,2009年加入苏州大学功能纳米与软物质材料实验室。现已在SCI收录国际期刊上发表论文200余篇,他引9000余次,H-index 52,获得美国专利3项,PCT专利2项,授权中国发明专利50余项。目前担任国际杂志IEEE Transaction on Nanotechnology副主编,Frontiers in Materials编委会委员,是国际电子电工学会(IEEE)高级会员、国际材料学会、国际X射线吸收谱学会会员,国家同步辐射实验室用户委员会副主任、上海光源用户委员会专家委员,国家纳米标准委员会苏州工作组副组长,江苏省纳米技术标准化技术委员会副主任委员。

Email: xhsun@suda.edu.cn

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2020JCR影响因子达16.419,学科排名Q1区前10%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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