英国苏格兰格拉斯哥大学(University of Glasgow)的研究人员设计出一种基于石墨烯的透明柔性电容式触控传感器,不仅提供触控侦测,还搭载了压力感测功能。由于它是透明的,所以触觉感应层可堆栈在刚性或柔性的太阳光电(PV)电池上,从而在操作时自动供电。 20170329-dims-eskin 研究人员在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)期刊发表“自供电、柔性且透明的触觉皮肤”(Energy-Autonomous, Flexible, and Transparent Tactile Skin)一文,揭示一种看似简单但工艺高度可扩展的新途径,可望实现创新的电容式压力传感器。研究人员有信心可进一步扩展,为机器人与义肢等应用提供全面的触觉反馈。

实际的电容式触控传感器是由PVC基板上(125μm厚)的单层石墨烯共面交叉电容(IDC)电极组成,并连接至沉积在电极边缘的钛/金(Ti/Au;10nm/100nm)触点。在蚀刻出铜箔之前,先透过热层压过程(以及最初在石墨烯生长的铜箔)将单层石墨烯移植到PVC基板上。接着,金属触点沉积在石墨烯层的边缘(使用电子束蒸发和屏蔽),最后再用计算机控制的绘图仪刀锋将石墨烯图案化至交叉电极。

20170330_01_robot02 柔性且透明的石墨烯触控传感器,厚度仅125μm

传感器由自旋涂层于石墨烯通道顶部的25μm厚聚合物层(PDMS)完成。最终层不仅用于作为可变形介电层,还可封装该组件。研究人员尝试各种不同的电极图案,最终取得方形曲线,使其具有最大化的电容响应以及各种压力。

为了表征这种新型的电容式传感器,研究人员发现它在各种压力下都具有稳定的反应;相形之下,传统的共面或分层结构只能感测触控存在或不存在,而无法感测压力。他们还发现压力灵敏度主要可归因于PDMS介电质常数在压缩(由于聚合物的多孔结构)时的变化。

有趣的是,在0至60kPa的压力范围内,经测试的传感器灵敏度呈现些微变化,但保持在相同的数量级:0~20kPa为9.3×10-3kPa-3;20~60kPa之间为4.3×10-3kPa-1,压力超过60kPa时的灵敏度为7.7x10-3kPa-1。

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为了证明传感器在实际电子皮肤(e-skin)应用中的可用性,研究团队将其整合在先进仿生手的中间和近侧指骨处,并透过简单的读取接口电路设计并建置在柔性聚酰亚胺PCB,从而将石墨烯传感器的电容变化转换成电压。他们能够展示实时压力映像,如仿生手臂抓住一个软球,并用读取电路实现实时触觉反馈回路,控制手的捉取程度。

20170330_01_robot04 具有触觉反馈能力的仿生手捉取一个软球(左)。而在图右,围绕在中间和近侧指骨的电容式传感器的颜色图表示读取电压调变。插图是用于控制抓取力(相对于传感器读数)的逻辑图

为了实现自供电的解决方案,研究人员将透明传感器堆栈在商用非晶硅太阳能电池顶部。研究人员证实,尽管在这次的实验中采用39.6x22.9mm2电池,可供电160μW cm2,传感器在触控期间分别消耗了31W和55nW。感应层仅消耗超低功率——20nWcm2,比PV能量采集的供电更少了10倍左右。

20170330_01_robot05 在太阳能电池顶部堆栈石墨烯透明触控传感器

研究人员的结论是,大型的透明传感器采用柔性且可拉伸的PV电池堆栈,不仅提供了自供电的电子皮肤,还能经由储存多余电力或用于驱动致动器,从而有助于为机器人等系统提高效率。这些传感器也可用于开发功能性服饰,包括头盔、手套等应用均可从中收集有用的压力数据。

编译:Susan Hong