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西安交大盧同慶教授課題組《ACS Nano》:基于可控預加載策略的高靈敏寬帶寬離電動態傳感器
2024-02-26  來源:高分子科技

  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。


  該工作以“Iontronic Dynamic Sensor with Broad Bandwidth and Flat Frequency Response Using Controlled Preloading Strategy”為題發表在《ACS Nano》上(doi10.1021/acsnano.3c11166)。西安交通大學航天航空學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航天航空學院碩士生劉海洋、博士生楊孟,以及機械學院博士生趙佳偉。該研究得到國家自然科學基金(12202338)和中央高校基本科研業務費等的支持。

  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。 


1. 柔性離電動態傳感器(IDS)的設計概念和工作機理


  該工作采用標準聲室對IDS進行定量實驗如圖2所示利用新型交流阻抗共振電路的IDS具有高的聲壓動態范圍。研究團隊對其進行掃頻測試以得到頻率響應曲線(靈敏度-工作頻率曲線),靈敏度波動不超過±3dB對應的平坦工作頻率范圍為動態傳感器的工作帶寬。從結果來看,柔性IDS的靈敏度超過商用麥克風,工作帶寬基本覆蓋人類日常接觸的大部分動態信號的頻率范圍。此外,通過改變電極薄膜的預張力還可以對傳感器的靈敏度和帶寬進行調整,以適應不同的應用場景需求。 


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,研究團隊對IDS的傳感模塊進行了理論建模,系統研究了基于可控預加載策略的離電動態傳感器的力學特性。實驗測得的傳感模塊的幅頻響應曲線、振型曲線、時域響應都可以通過理論準確預測,如圖3所示。參數化研究結果表明,該工作提出的高靈敏寬帶寬IDS具有靈敏度、工作帶寬可調可設計的優勢。 


3. IDS傳感模塊的動態力學響應理論與實驗

  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。 


4. 利用IDS進行音符錄制
 

5. 可穿戴IDS用于人機交互展示


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

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