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透明軟性電子皮膚可由PV電池供電



  • 2017年3月28日
  • Julien Happich

英國研究人員開發出一種基於石墨烯的軟性電容式壓力感測器,兼具觸控與壓力感測功能,並可進一步擴展,為機器人與義肢等應用提供完整的觸覺反饋…
英國蘇格蘭格拉斯哥大學(University of Glasgow)的研究人員設計出一種基於石墨烯的透明軟性電容式觸控感測器,不僅提供觸控偵測,還搭載了壓力感測功能。由於它是透明的,所以觸覺感應層可堆疊在剛性或軟性的太陽光電(PV)電池上,從而在操作時自動供電。
研究人員在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)期刊發表「自供電、軟性且透明的觸覺皮膚」(Energy-Autonomous, Flexible, and Transparent Tactile Skin)一文,揭示一種看似簡單但製程高度可擴展的新途徑,可望實現創新的電容式壓力感測器。研究人員有信心可進一步擴展,為機器人與義肢等應用提供全面的觸覺反饋。
實際的電容式觸控感測器是由PVC基板上(125μm厚)的單層石墨烯共面交叉電容(IDC)電極組成,並連接至沉積在電極邊緣的鈦/金(Ti/Au;10nm/100nm)觸點。在蝕刻出銅箔之前,先透過熱層壓過程(以及最初在石墨烯生長的銅箔)將單層石墨烯移植到PVC基板上。接著,金屬觸點沉積在石墨烯層的邊緣(使用電子束蒸發和遮罩),最後再用電腦控制的繪圖儀刀鋒將石墨烯圖案化至交叉電極。
20170328_e-skin_NT02P1軟性且透明的石墨烯觸控感測器,厚度僅125μm
感測器由自旋塗層於石墨烯通道頂部的25μm厚聚合物層(PDMS)完成。最終層不僅用於作為可變形介電層,還可封裝該元件。研究人員嘗試各種不同的電極圖案,最終取得方形曲線,使其具有最大化的電容響應以及各種壓力。http://images.eettaiwan.com/dbe7eae4-edad-4ea9-bf13-2fb9a83fac1c.jpg
為了表徵這種新型的電容式感測器,研究人員發現它在各種壓力下都具有穩定的反應;相形之下,傳統的共面或分層結構只能感測觸控存在或不存在,而無法感測壓力。他們還發現壓力靈敏度主要可歸因於PDMS介電質常數在壓縮(由於聚合物的多孔結構)時的變化。
有趣的是,在0至60kPa的壓力範圍內,經測試的感測器靈敏度呈現些微變化,但保持在相同的數量級:0~20kPa為9.3×10-3kPa-3;20~60kPa之間為4.3×10-3kPa-1,壓力超過60kPa時的靈敏度為7.7x10-3kPa-1
為了證明感測器在實際電子皮膚(e-skin)應用中的可用性,研究團隊將其整合在先進仿生手的中間和近側指骨處,並透過簡單的讀取介面電路設計並建置在軟性聚醯亞胺PCB,從而將石墨烯感測器的電容變化轉換成電壓。他們能夠展示即時壓力映射,如仿生手臂抓住一個軟球,並用讀取電路實現即時觸覺反饋迴路,控制手的捉取程度。
具有觸覺反饋能力的仿生手捉取一個軟球(左)。而在圖右,圍繞在中間和近側指骨的電容式感測器的顏色圖表示讀取電壓調變。插圖是用於控制抓取力(相對於感測器讀數)的邏輯圖
為了實現自供電的解決方案,研究人員將透明感測器堆疊在商用非晶矽太陽能電池頂部。研究人員證實,儘管在這次的實驗中採用39.6x22.9mm2電池,可供電160μW cm2,感測器在觸控期間分別消耗了31W和55nW。感應層僅消耗超低功率——20nWcm2,比PV能量採集的供電更少了10倍左右。
在太陽能電池頂部堆疊石墨烯透明觸控感測器
研究人員的結論是,大型的透明感測器採用軟性且可拉伸的PV電池堆疊,不僅提供了自供電的電子皮膚,還能經由儲存多餘電力或用於驅動致動器,從而有助於為機器人等系統提高效率。這些感測器也可用於開發功能性服飾,包括頭盔、手套等應用均可從中收集有用的壓力資料。

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