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北京大學張海霞教授課題組在非接觸式電子皮膚研究中取得重要進展
2017-12-20  來源:中國聚合物網(wǎng)

  電子皮膚作為一種在醫(yī)療健康、人工智能以及便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用前景極大的新型器件,近年來受到國內(nèi)外學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。現(xiàn)有電子皮膚大多依靠集成壓力傳感元件的方式實現(xiàn)接觸式位置傳感,不僅使分辨率受制于傳感單元個數(shù),更導致電子皮膚的潛能與優(yōu)勢無法充分發(fā)揮。

  近日,北京大學信息科學技術(shù)學院微納電子學研究院張海霞教授課題組研制出一種新型的自驅(qū)動非接觸式透明柔性電子皮膚。它結(jié)合摩擦起電原理與空間靜電感應(yīng)效應(yīng),利用四個電極即可達到1.5mm的二維空間分辨率。與此同時,該電子皮膚能夠檢測垂直距離不超過5cm的帶電體在平行平面內(nèi)的運動,因此實現(xiàn)了非接觸式位置傳感。相關(guān)研究成果以《可應(yīng)用于運動傳感的自驅(qū)動非接觸式電子皮膚》(Self-powered non-contact electronic skin for motion sensing)為題,于2017年12月在材料科學領(lǐng)域重要期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上發(fā)表(DOI: 10.1002/adfm.201704641);信息學院2014級本科生吳瀚翔為第一作者,張海霞教授為通訊作者。

  不同于傳統(tǒng)電子皮膚基于傳感單元陣列實現(xiàn)對于壓力、位置等物理量的數(shù)字式感知,該模擬電子皮膚利用預起電過程中積累于帶電體表面的電荷,根據(jù)空間位移造成的靜電勢變化在電極上所產(chǎn)生的感應(yīng)電流,通過計算多個電極電壓的相對大小實現(xiàn)極坐標平面上的定位。由于利用摩擦表面自主產(chǎn)生的摩擦電荷,電子皮膚實現(xiàn)了完全的自驅(qū)動傳感;又由于模擬定位方法的運用,只需四個電極即可實現(xiàn)二維高精度定位,相較于傳統(tǒng)數(shù)字式電子皮膚極大降低了電極數(shù)量;空間靜電感應(yīng)原理使得目標物體的位移可脫離并平行于電子皮膚所在平面,可作為實時游戲平臺的人機交互界面使用,將用戶的手指運動轉(zhuǎn)化為電信號發(fā)送給計算機。該電子皮膚通過使用表面具有微結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為摩擦面,不僅增強了摩擦電荷密度,也提高了信號的強度;此外,使用磁控濺射在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)襯底表面的氧化銦錫(ITO)為電極,因此具有很好的柔性與透明性。

  上述研究工作得到國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金等支持,在解決電子皮膚供能問題、增強電子皮膚分辨率以及擴展其功能和應(yīng)用范圍方面取得了重要突破。

  論文鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201704641/full

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