电子皮肤作为一种在医疗健康、人工智能以及便携式电子产品领域应用前景极大的新型器件,近年来受到国内外学术界和工业界的广泛关注。现有电子皮肤大多依靠集成压力传感元件的方式实现接触式位置传感,不仅使分辨率受制于传感单元个数,更导致电子皮肤的潜能与优势得以完全发挥。

近日,北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组与前沿交叉学科研究院陈东敏教授课题组合作,通过传统压阻传感机制与新型摩擦传感机制的有机结合,实现了在同一器件上同时检测大小、方向不同的弯曲和正压力,大大提升了器件集成度。

近日,北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组研制出一种新型的自驱动非接触式透明柔性电子皮肤。它结合摩擦起电原理与空间静电感应效应,利用四个电极即可达到1.5mm的二维空间分辨率。与此同时,该电子皮肤能够检测垂直距离不超过5cm的带电体在平行平面内的运动,因此实现了非接触式位置传感。相关研究成果以《可应用于运动传感的自驱动非接触式电子皮肤》为题,于2017年12月在材料科学领域重要期刊《先进功能材料》上发表;信息学院2014级本科生吴瀚翔为第一作者,张海霞教授为通讯作者。

联合课题组一方面结合海绵材料的多孔特性与碳纳米管的高长宽比特性,设计出特殊的器件结构,从而可同时对弯曲的大小和方向加以检测;另一方面,针对电阻信号在弯曲和压力作用下所出现的信息混淆,独创性地利用摩擦起电原理,有效利用静电感应信号,准确分离压力信号和弯曲信号,从而极大提高多功能器件的检测精确性,实现全方向的高灵敏度检测,应用领域得以拓展。相关研究成果以《基于可拉伸的碳纳米管-聚氨酯海绵的全方向弯曲和压力传感器》为题,于2016年12月初在线发表于材料科学领域重要期刊《先进功能材料》;博士研究生陈号天为第一作者,张海霞、陈东敏为通讯作者。

不同于传统电子皮肤基于传感单元阵列实现对于压力、位置等物理量的数字式感知,该模拟电子皮肤利用预起电过程中积累于带电体表面的电荷,根据空间位移造成的静电势变化在电极上所产生的感应电流,通过计算多个电极电压的相对大小实现极坐标平面上的定位。由于利用摩擦表面自主产生的摩擦电荷,电子皮肤实现了完全的自驱动传感;又由于模拟定位方法的运用,只需四个电极即可实现二维高精度定位,相较于传统数字式电子皮肤极大降低了电极数量;空间静电感应原理使得目标物体的位移可脱离并平行于电子皮肤所在平面,可作为实时游戏平台的人机交互界面使用,将用户的手指运动转化为电信号发送给计算机。该电子皮肤通过使用表面具有微结构的聚二甲基硅氧烷作为摩擦面,不仅增强了摩擦电荷密度,也提高了信号的强度;此外,使用磁控溅射在聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底表面的氧化铟锡为电极,因此具有很好的柔性与透明性。

在多功能电子皮肤研究方向上,张海霞课题组长期致力于以静电摩擦电信号为主的多参数高灵敏度主动式传感研究,解决了原有结构复杂、稳定性差等挑战性问题;此前成功研发采用模拟定位方法的自驱动柔性透明多功能电子皮肤和采集人体运动能量的高灵敏度可穿戴器件,系列成果陆续发表于《美国化学会?纳米》、《纳米能源》、《先进材料》、《先进电子材料》等主流期刊,开启了静电摩擦发电机在主动式电子皮肤集成多功能检测的新篇章,具有广阔的应用前景。

上述研究工作得到国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等支持,在解决电子皮肤供能问题、增强电子皮肤分辨率以及扩展其功能和应用范围方面取得了重要突破。

以上研究工作得到国家自然科学基金、国家重大科学研究计划、北京市科技计划、北京市自然科学基金等支持。

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