柔性力傳感器是一類由軟材料(水凝膠、離子凝膠和彈性體等)制成的柔性傳感器，在健康監測、電子皮膚和軟體機器人等方面具有廣泛的應用前景。然而，現有研究主要關注的是傳感器在靜態、準靜態力信號下的響應能力，柔性力傳感器的動態響應在滿足人機交互和生物語音識別等新興應用中非常關鍵，卻鮮有報道。目前一些研究提出利用柔性薄膜共振原理的高靈敏度傳感器能夠進行動態力信號傳感，但這些傳感器只能在其共振頻率附近獲得高靈敏度響應。當輸入信號由不同頻率和幅值的復雜分量組成時，這些具有非平坦靈敏度-頻率曲線傳感器的輸出信號將與輸入信號迥異，從而很難解調出原始輸入信號，阻礙了進一步實際工程應用研究。目前在柔性力傳感器領域中同時實現高靈敏度和寬且平坦的頻率響應仍然是一個挑戰。
基于此，西安交通大學復雜服役環境重大裝備結構強度與壽命全國重點實驗室、航天航空學院軟機器實驗室盧同慶教授團隊提出了一種結合預加載策略的高靈敏離-電傳感技術，利用預加載結構設計拓寬穩定的工作頻率范圍，利用純彈性水凝膠與電極形成的雙電層電容進行高靈敏傳感，將傳感器力學響應和電學傳感的部件進行解耦，大幅提升了柔性力傳感器的響應速度(響應時間 < 1 ms)，成功解決了高靈敏度與寬且平坦頻率響應之間的矛盾。開發出能夠傳感復雜動態信號的柔性離電動態傳感器(IDS)，其在保證高靈敏度(–23 dB @ 1 V/Pa)的同時實現了寬(10 Hz – ~1000 Hz)且平坦(靈敏度±3 dB)的頻率響應曲線。這項工作為柔性力傳感器在動態信號傳感領域的探索提供了新思路。
柔性離電動態傳感器(IDS)旨在監測與人有關的動態信號，例如人聲和器樂聲音等復雜動態信號。通過預加載策略精密組裝形成多層的傳感器結構，當外部動態信號作用于IDS時，傳感器的電極薄膜發生周期性振動進行傳感。在正壓下，電極薄膜與水凝膠界面接觸面積增大，導致電信號正向輸出，而在負壓下，電極薄膜與水凝膠界面的接觸面積減小，導致電信號負向輸出，如圖1所示。團隊提出的適用于有源離電傳感器的新型交流阻抗共振采集電路，通過調整定值電感和外加交流電壓頻率大小，可以調節離電傳感器輸出電壓與載荷幅值之間的線性度和靈敏度。研究結果表明該工作提出的高靈敏寬帶寬IDS在保證高靈敏的同時可實現工作帶寬比現有大部分柔性力傳感器工作帶寬1~2個數量級的提升。
為了充分驗證研究的實用性，研究人員利用柔性IDS進行了高保真錄音，頻率范圍從簡單的單音到旋律、歌曲和器樂聲音，基本覆蓋整個日常的人聲頻譜，如圖4所示。在最后的展示性實驗中，研究團隊還使用可穿戴IDS進行語音遠程控制玩具車實驗，展示了其人機交互的潛力，如圖5所示。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11166
- 湖南大學陳小華教授團隊在雙電層電容器領域取得重要研究進展 2017-12-04
