Illustration schématique et vue en coupe Image SEM d'un capteur de pression iontronique à structure à micropiliers. Crédit :©Science China Press
Dans les années récentes, avec le développement rapide des peaux électroniques souples, les capteurs tactiles flexibles hautes performances ont reçu plus d'attention et ont été utilisés dans de nombreux domaines tels que l'intelligence artificielle, Surveillance de la santé, interaction homme machine, et appareils portables. Parmi les différents capteurs, les capteurs tactiles capacitifs flexibles ont les avantages d'une haute sensibilité, faible consommation d'énergie, une réponse rapide, et structure simple.
La sensibilité est un paramètre important du capteur. Un moyen courant d'améliorer la sensibilité consiste à introduire des microstructures et à utiliser des matériaux diélectriques ioniques à l'interface pour former une interface ion-électronique à l'échelle nanométrique avec une capacité spécifique ultra-élevée. Cependant, en raison de l'incompressibilité du matériau et de la conception à haute stabilité de la structure, la linéarité du signal de détection est mauvaise et la plage de réponse en pression est étroite. Le capteur à haute linéarité facilite la conversion entre capacité et pression. Il peut grandement simplifier la conception du circuit et le système de traitement des données, et améliorer la vitesse de réponse du système de détection. Par conséquent, la production de capteurs de pression flexibles à haute linéarité et haute sensibilité est devenue un enjeu clé dans le développement de peaux électroniques flexibles.
Récemment, Le groupe de recherche de Chuan Fei Guo du Département des sciences et technologies des matériaux de l'Université des sciences et technologies du Sud a fait des progrès dans la recherche de capteurs de pression flexibles hautement linéaires. Ils ont amélioré la déformabilité de la structure en concevant une électrode flexible avec une structure de surface à micropiliers avec un rapport d'aspect important qui se déforme facilement et perd sa stabilité. Combiné avec la couche diélectrique de gel ionique, le capteur a une linéarité élevée (R2 ~ 0,999) et une sensibilité élevée (33,16 kPa -1 ) dans une large plage de pression de 12 à 176 kPa.
(a) Courbe de sensibilité et image SEM de la section transversale de déformation de la microstructure. (b) Images SEM de section transversale de compression et courbes de changement de zone de contact de matériaux avec différents modules d'élasticité et structure à micropiliers sous pression. Crédit :©Science China Press
Les micropiliers subissent trois étapes de déformation sous pression; premier contact (0-6 kPa), flambement structurel (6-12 kPa) et post-flambement (12-176 kPa). Dans la phase de post-flambage, le signal présente une linéarité élevée et une sensibilité élevée.
La grande linéarité réside dans l'adaptation du module de l'électrode à structure à micropiliers et de la couche diélectrique. Les micropiliers sont en caoutchouc silicone polydiméthylsiloxane (PDMS) avec un module d'élasticité de 1 MPa, et le module d'élasticité de la membrane de gel ionique est de 5 MPa. Grâce à l'analyse par éléments finis (FEA), on peut savoir qu'un matériau avec un module de MPa produira un changement de surface de contact linéaire lorsque le matériau est extrudé avec une structure à micropiliers, qui correspond à la sensibilité linéaire obtenue dans l'expérience.
En plus d'une sensibilité linéaire élevée, le capteur a également une limite de détection basse (0,9 Pa), faible temps de réponse (9 ms), et une grande stabilité (pendant 6000 cycles de compression/pliage, le signal reste stable). Selon les performances du capteur, ils font une série d'expériences appliquées. Un capteur est fixé sur le segment du majeur d'une main artificielle pour soulever des poids de différents poids, et le signal du capteur montre un changement d'étape avec une augmentation uniforme du poids (~372 pF/g). Puis, plusieurs (21) capteurs sont attachés au manipulateur pour effectuer l'expérience de saisie d'objet. Le réseau de capteurs peut mieux refléter la répartition de la pression de l'objet saisi. Le capteur est également utilisé dans la détection de l'artère radiale humaine, et le signal d'impulsion est relativement stable sous différentes pré-pressions (10,23 ~ 17,75 kPa), comme le montre la Fig. 3. Dans le test de distribution de pression plantaire, le réseau de capteurs peut clairement indiquer la différence de distribution de pression dans différents états.
Expérience et données d'application de capteur. Crédit :©Science China Press
La sensibilité élevée à la linéarité du capteur est dérivée de la conception de la structure à micropiliers de surface et de l'adaptation des propriétés mécaniques des électrodes et des matériaux diélectriques. La combinaison du principe de stabilité d'Euler, La caractérisation par FEA et microscopie électronique à balayage (MEB) explique la raison de la sensibilité linéaire. L'expérience d'haltérophilie et l'expérience de préhension du manipulateur, La détection du pouls humain et le test de distribution de la pression plantaire montrent que le capteur a un grand potentiel d'application dans les domaines des robots intelligents, interaction homme machine, et la surveillance de la santé. Ce travail fournit également de nouvelles idées de conception pour la recherche de capteurs linéaires flexibles.
