《AFM》:用于触觉感知的超软、具有正负压介电效应的液体金属弹性体泡沫

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柔软的电容式触觉(压力)传感器在人机界面、柔软的机器人和电子皮肤的应用具有巨大应用潜力。该类型电容器是典型的“三明治”结构,由上下电极和软电介质组成,按压电容器使电极距离减小,增加电容。通过选用柔软且具有高介电常数的介电材料,可以最大程度地提高传感器的灵敏度,但这些特性通常会相互冲突。

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为了解决这一问题,美国北卡罗莱纳州立大学Michael Dickey团队制备了一种超柔软,可压缩,并且具有高介电常数的液态金属弹性体泡沫。通过压缩泡沫,从而在较大范围(5.6–11.7)内提高介电常数,称之为“正压介电效应”。有趣的是,课题组发现了在被压缩至大应变时,由于液态金属液滴的几何变形,这种材料的介电常数却出现降低现象,出现“负压介电效应”。该研究通过电磁理论和有限元模拟从理论上证实了该机理。基于液态金属弹性体泡沫,展示了一种具有高灵敏度,高初始电容和较大电容变化的软触觉传感器。此外,还展示了一种具有高转换效率的远程无线无源压力传感器。

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图1 液体金属弹性体泡沫制备过程与表征图片

 

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图2 液体金属弹性体机械特性曲线

 

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图3 液体金属弹性体泡沫正压介电效应机理解释

 

液体金属弹性体的正压介电效应是由压力改变泡沫形状实现的。在未压缩状态液体金属弹性体泡沫可看做是液体金属弹性与空气的混合材料,低介电常数的空气极大的降低了混合材料整体的介电常数。当泡沫被压缩时,高介电常数的液体金属弹性体会代替空气,显著提高泡沫整体的介电常数,呈现出正压介电效应。为了解释机理,该研究还通过电磁理论、电介质理论和有限元模拟来分析液体金属提高介电常数的机理(图3d-3i)。由于液体金属液滴在低频电场下是一个等势体,微米级的液体金属液滴会形成等势层,显著降低了电容极板之间的有效距离,增加了介电常数。

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图4 液体金属弹性体泡沫负压介电效应机理解释

 

该研究通过压缩液体金属弹性体平板来研究负压介电效应。随着压力的增加,液体金属弹性体的介电常数会略微升高,但随着压力的增加,介电常数会出现明显的降低。这种压电常数负增长的现象在柔性电容器相关的文献中似乎是还从未有提到过的。这种现象为制作在一些恶劣的环境下仍然能保持柔性电容器性能提供了可能性。也就是说,由几何变化引起的电容变化被此介电性质所引起的变化所抵消。因此,在0.02-0.1 MPa的外加应力造成的变形过程中,电容可以有效地趋于平稳。

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图5 基于液体金属弹性体泡沫的柔性压力传感器响应曲线。

 

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图6 基于液体金属弹性体泡沫压力传感器的应用。

 

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图7 基于液体金属弹性体泡沫的无线无源长距离压力传感器。

 

总结

综上所述,该工作展示了一种超软,可压缩以及正负压介电效应的液体金属弹性体泡沫。通过研究压介电效应的机理,发现压介电效应是由于泡沫结构和液体金属液滴形变共同导致的。正压介电效应会增加电容传感器因几何形变导致的电容变化,而负压介电效应则提供了一种制作不会因变形而改变电容值的电容器。该工作还制备了基于液体金属弹性体泡沫的电容式压力传感器,实现了大电容变化量,高灵敏度和高初始电容。该电容式压力传感器可用于测量人体的运动。基于液体金属弹性体泡沫的压介电效应,制备了一种远程无线无源压力传感器,可在3米外实现压力的检测。

该研究的第一作者为美国北卡罗来纳州立大学杨嘉怡博士,合作者为西安电子科技大学李杨博士,太原理工大学张东光副教授。

 

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202002611

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