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西安交大盧同慶教授課題組《ACS Nano》:基于可控預(yù)加載策略的高靈敏寬帶寬離電動(dòng)態(tài)傳感器
2024-02-26  來(lái)源:高分子科技

  柔性力傳感器是一類(lèi)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(jiān)測(cè)、電子皮膚和軟體機(jī)器人等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而,現(xiàn)有研究主要關(guān)注的是傳感器在靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)力信號(hào)下的響應(yīng)能力,柔性力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在滿足人機(jī)交互和生物語(yǔ)音識(shí)別等新興應(yīng)用中非常關(guān)鍵,卻鮮有報(bào)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(jìn)行動(dòng)態(tài)力信號(hào)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(yīng)。當(dāng)輸入信號(hào)由不同頻率和幅值的復(fù)雜分量組成時(shí),這些具有非平坦靈敏度-頻率曲線傳感器的輸出信號(hào)將與輸入信號(hào)迥異,從而很難解調(diào)出原始輸入信號(hào),阻礙了進(jìn)一步實(shí)際工程應(yīng)用研究。目前在柔性力傳感器領(lǐng)域中同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和寬且平坦的頻率響應(yīng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。


  基于此,西安交通大學(xué)復(fù)雜服役環(huán)境重大裝備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、航天航空學(xué)院軟機(jī)器實(shí)驗(yàn)室盧同慶教授團(tuán)隊(duì)出了一種結(jié)合預(yù)加載策略的高靈敏離-電傳感技術(shù),利用預(yù)加載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓寬穩(wěn)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(jìn)行高靈敏傳感將傳感器力學(xué)響應(yīng)和電學(xué)傳感的部件進(jìn)行解耦,大幅提升了柔性力傳感器的響應(yīng)速度(響應(yīng)時(shí)間 < 1 ms),成功解決了高靈敏度與寬且平坦頻率響應(yīng)之間的矛盾。開(kāi)發(fā)出能夠傳感復(fù)雜動(dòng)態(tài)信號(hào)的柔性離電動(dòng)態(tài)傳感器(IDS),其在保證高靈敏度(–23 dB @ 1 V/Pa)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬(10 Hz – ~1000 Hz)且平坦(靈敏度±3 dB)的頻率響應(yīng)曲線。這項(xiàng)工作為柔性力傳感器在動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感領(lǐng)域的探索提供了新思路。


  該工作以“Iontronic Dynamic Sensor with Broad Bandwidth and Flat Frequency Response Using Controlled Preloading Strategy”為題發(fā)表在《ACS Nano》上(doi10.1021/acsnano.3c11166)。西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院博士生郭浩宇和青年教師劉建星為論文的共同第一作者,盧同慶教授為論文通訊作者,參與該研究的還有西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院碩士生劉海洋、博士生楊孟,以及機(jī)械學(xué)院博士生趙佳偉。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金(12202338)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等的支持。

  柔性離電動(dòng)態(tài)傳感器(IDS)旨在監(jiān)測(cè)與人有關(guān)的動(dòng)態(tài)信號(hào),例如人聲和器樂(lè)聲音等復(fù)雜動(dòng)態(tài)信號(hào)。通過(guò)預(yù)加載策略精密組裝形成多層的傳感器結(jié)構(gòu),當(dāng)外部動(dòng)態(tài)信號(hào)作用于IDS時(shí),傳感器的電極薄膜發(fā)生周期性振動(dòng)進(jìn)行傳感。在正壓下,電極薄膜與水凝膠界面接觸面積增大,導(dǎo)致電信號(hào)正向輸出,而在負(fù)壓下,電極薄膜與水凝膠界面的接觸面積減小,導(dǎo)致電信號(hào)負(fù)向輸出,如圖1所示。團(tuán)隊(duì)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(guò)調(diào)整定值電感和外加交流電壓頻率大小,可以調(diào)節(jié)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(jié)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(shí)可實(shí)現(xiàn)工作帶寬比現(xiàn)有大部分柔性力傳感器工作帶寬1~2個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。 


1. 柔性離電動(dòng)態(tài)傳感器(IDS)的設(shè)計(jì)概念和工作機(jī)理


  該工作采用標(biāo)準(zhǔn)聲室對(duì)IDS進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)如圖2所示利用新型交流阻抗共振電路的IDS具有高的聲壓動(dòng)態(tài)范圍。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行掃頻測(cè)試以得到頻率響應(yīng)曲線(靈敏度-工作頻率曲線),靈敏度波動(dòng)不超過(guò)±3dB對(duì)應(yīng)的平坦工作頻率范圍為動(dòng)態(tài)傳感器的工作帶寬。從結(jié)果來(lái)看,柔性IDS的靈敏度超過(guò)商用麥克風(fēng),工作帶寬基本覆蓋人類(lèi)日常接觸的大部分動(dòng)態(tài)信號(hào)的頻率范圍。此外,通過(guò)改變電極薄膜的預(yù)張力還可以對(duì)傳感器的靈敏度和帶寬進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求。 


2. IDS的靈敏度和工作帶寬


  為深入探究IDS的靈敏度和工作帶寬的影響因素,研究團(tuán)隊(duì)對(duì)IDS的傳感模塊進(jìn)行了理論建模,系統(tǒng)研究了基于可控預(yù)加載策略的離電動(dòng)態(tài)傳感器的力學(xué)特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳感模塊的幅頻響應(yīng)曲線、振型曲線、時(shí)域響應(yīng)都可以通過(guò)理論準(zhǔn)確預(yù)測(cè),如圖3所示。參數(shù)化研究結(jié)果表明,該工作提出的高靈敏寬帶寬IDS具有靈敏度、工作帶寬可調(diào)可設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。 


3. IDS傳感模塊的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)理論與實(shí)驗(yàn)

  為了充分驗(yàn)證研究的實(shí)用性,研究人員利用柔性IDS進(jìn)行了高保真錄音,頻率范圍從簡(jiǎn)單的單音到旋律、歌曲和器樂(lè)聲音,基本覆蓋整個(gè)日常的人聲頻譜,如圖4所示。在最后的展示性實(shí)驗(yàn)中,研究團(tuán)隊(duì)還使用可穿戴IDS進(jìn)行語(yǔ)音遠(yuǎn)程控制玩具車(chē)實(shí)驗(yàn),展示了其人機(jī)交互的潛力,如圖5所示。 


4. 利用IDS進(jìn)行音符錄制
 

5. 可穿戴IDS用于人機(jī)交互展示


  論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11166

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