中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
在眾多應用場(chǎng)景中，對于可實(shí)時(shí)全面感知微小機械刺激的柔性傳感器需求極為迫切。對各類(lèi)機械結構進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監測能夠有效預防故障產(chǎn)生，而機器人的精細觸覺(jué)感知也依賴(lài)此類(lèi)傳感器?，F有的柔性壓電傳感器因自身壓電系數矩陣的局限性，僅能檢測應變大小，無(wú)法同時(shí)解耦應變方向與大小，因此難以感知各向異性變形。此外，實(shí)現微米級變形監測目前仍是柔性壓電傳感器的一大挑戰。鑒于此，上海交通大學(xué)材料學(xué)院郭益平教授課題組提出了一種利用高靈敏度壓電纖維構建矢量傳感器的方法。
上海交通大學(xué)郭益平課題組設計了一種各向異性的壓電薄膜，該薄膜基于定向排列的鋯鈦酸鉛-玻璃纖維復合細絲(PZT-EGF)構建，能夠同時(shí)識別微米級變形的幅度和方向。研究搭建了一套浸漬裝置，采用溶膠-凝膠法連續制備PZT-EGF復合長(cháng)絲，并實(shí)現長(cháng)絲在指定方向上的取向排列。燒結后，通過(guò)聚偏二氟乙烯(PVDF)固定細絲的位置，從而在薄膜中實(shí)現了沿纖維縱向到徑向的各向異性壓電系數。該壓電薄膜的低檢測限主要歸因于復合細絲中形成的孔洞，這些孔洞形成了鐵電駐極體，與PZT的壓電效應相互促進(jìn)，能夠檢測到低至0.06%的應變。PZT的連續相提高了載荷傳遞效率，進(jìn)一步降低了檢測限。相應的傳感器可用于脈搏波監測、薄膜變形反演和微紋理識別，具有高分辨率，能夠檢測到低至5微米高的薄膜皺紋和識別約20微米高的粗糙表面。
I 各向異性壓電纖維薄膜的制備與表征
圖1a展示了壓電薄膜的制備流程，圖1b展示了浸漬PZT前驅體溶液的連續玻璃纖維，總長(cháng)度超過(guò)10米，說(shuō)明PZT- EGF復合長(cháng)絲具有工業(yè)生產(chǎn)潛力。圖1c為PZT纖維的XRD測試結果，表明所制備的PZT為鈣鈦礦相，無(wú)其他雜質(zhì)。圖1d展示了壓電薄膜沿著(zhù)纖維方向拉伸與垂直于纖維方向拉伸的力學(xué)性能，可以看到沿著(zhù)纖維方向拉伸的時(shí)模量更高(265 MPa)，這是因為當薄膜沿長(cháng)絲縱向(0°)拉伸時(shí)，長(cháng)絲與基體共同承受外加應力，電輸出主要是通過(guò)直接壓電效應將沿壓電長(cháng)絲分布的機械應力轉換而產(chǎn)生的。因此，可以理解壓電輸出隨應變方向的不同而變化。圖1e-g顯示了各向異性壓電薄膜截面與表面的SEM圖像，長(cháng)絲之間存在多個(gè)孔徑約為5 μm的空隙，極化后形成了壓電駐極體，與PZT的壓電效應相互促進(jìn)，提升了壓電輸出(圖1h)。
圖1 a 各向異性壓電傳感器的制備工藝。b 連續浸漬的GFF細絲照片(長(cháng)度超過(guò)10米)。c PZT-GFF復合細絲的XRD圖譜。d PZT-GFF復合薄膜在0°和90°方向上的應力-應變曲線(xiàn)。e 各向異性壓電薄膜的截面SEM圖像。f PZT-GFF復合細絲中存在的孔洞的SEM圖像。g 在EGF細絲表面生長(cháng)的連續PZT相的SEM圖像。h 示意圖表示孔洞和PZT對壓電輸出的貢獻。
II 單層壓電薄膜的電輸出性能
圖2a展示了對矢量傳感器施加不同大小與不同大小應變的測試方法。圖3b-c為矢量傳感器在不同彎曲角度(0°、30°、60°、90°)和應變(0.06% ~ 1.11%)下的電壓輸出結果，表明電輸出隨著(zhù)彎曲角度增大而減小，隨著(zhù)應變增大而增大。如圖2d所示，我們將器件貼在薄膜上用于監測微小的變形(5 μm~20 μm)。圖2e-j表明壓電傳感器可以精確感知不同大小與不同頻率的薄膜變形。
圖2 單層矢量傳感器的表征。a 矢量設備微變形測試的示意圖。b 在不同彎曲角度下，0.34%應變條件下矢量傳感器輸出電壓的實(shí)驗結果。c 在不同應變和彎曲角度下，矢量傳感器輸出電壓的實(shí)驗結果。d 線(xiàn)性電機驅動(dòng)薄膜微突起的示意圖。e 不同幅度的薄膜微突起和g 不同頻率通過(guò)掃描激光振動(dòng)計檢測的結果。f 不同微突起幅度和i 不同頻率的實(shí)時(shí)輸出電壓。h 從g中通過(guò)FFT生成的頻譜。j 從i中通過(guò)FFT生成的頻譜。
III 雙層壓電薄膜用于應變大小與方向的精確解耦
我們將兩層傳感器正交堆疊用于精確解耦形變的大小與方向。圖3a展示了雙層器件的結構，圖3b-c展示了底層和頂層傳感器的電壓輸出信號，兩者隨著(zhù)彎曲角度變化呈現相反的趨勢。圖3d-g展示了傳感器的解耦方式與該方法的通用性，根據上下層壓電器件的輸出在圖3b-c中找到對應的彎曲角度與應變，兩條線(xiàn)的交點(diǎn)就是對器件施加的精確的彎曲角度與應變大小，解耦結果與實(shí)際情況一致。圖3h-i展示了將器件貼在薄膜上感知各向異性長(cháng)條形變形的輸出結果，表明其可以同時(shí)感知應變的大小和彎曲角度。
圖3 雙層矢量傳感器的表征。a 雙層矢量傳感器的示意圖。b 底層傳感器的輸出電壓擬合結果，c 頂層傳感器的輸出電壓擬合結果，基于實(shí)驗結果。d 雙層矢量傳感器在應變0.17%應變，彎曲角度45°時(shí)的輸出電壓。e 從d中輸出電壓解耦得到的彎曲角度和應變。f 雙層矢量傳感器在應變0.21%，彎曲角度70°時(shí)的輸出電壓。g 從f中輸出電壓解耦得到的彎曲角度和應變。h 0度長(cháng)條形、i 45度長(cháng)條形皺紋的示意圖，以及雙層矢量傳感器的相應輸出響應。
IV 矢量傳感器用于紋理識別
本文研究的矢量傳感器具有高靈敏度和方向感知能力，可以識別紋理信息的多個(gè)維度，包括粗糙度和方向。圖4a展示了識別機理。矢量傳感器被固定在可移動(dòng)的框架上，PET尖端被固定在器件上模擬人體指紋，以捕捉接觸過(guò)程中的振動(dòng)刺激。不同取向與不同凹凸程度的紋理會(huì )通過(guò)尖端對傳感器施加不同大小與方向的力，因而產(chǎn)生不同大小的輸出。圖4b展示了對不同粗糙度的砂紙產(chǎn)生的電輸出響應。圖4c-d是是器件對不同取向的紋理產(chǎn)生的電輸出響應。圖4e-f是對以不同的速度滑過(guò)織物產(chǎn)生的電輸出證明了電輸出的可重復性和一致性。我們已經(jīng)成功地將機器學(xué)習與矢量傳感器結合使用，以區分十種不同的紋理，包括具有微米級粗糙度的砂紙，纖維織物和具有不同延伸方向的紋理。使用不同的模型實(shí)現了對10種表面紋理100%的識別率。
圖4 a 基于矢量傳感器的感知系統示意圖。b 矢量傳感器在不同粗糙度紋理上產(chǎn)生的信號。c 矢量傳感器在十字紋上滑動(dòng)時(shí)的輸出信號，d 在對角線(xiàn)紋上滑動(dòng)時(shí)的輸出信號。e 光學(xué)顯微鏡下(×20)放大后的織物圖像。c 和 d 中插圖分別說(shuō)明了豎紋和斜紋的感知機制。f 在不同滑動(dòng)速度(3、5、7 mm/s)下傳感器在織物上滑動(dòng)時(shí)的輸出信號。g 用于感知的紋理光學(xué)圖像及相應編號。h 這些紋理的輸出信號。i 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型示意圖。j 通過(guò)感知系統識別10種不同紋理的混淆矩陣。k 不同算法的準確性和計算時(shí)間對比。
V 總結
通過(guò)創(chuàng )新性結構設計，在壓電薄膜中實(shí)現了各向異性的壓電系數，能夠同時(shí)感知細微變形的大小和方向。通過(guò)在壓電纖維中構建孔洞并形成壓電駐極體，提高了輸出，實(shí)現了對0.06%微小應變的感知。此外，本研究開(kāi)發(fā)了一套設備，實(shí)現了壓電纖維的連續制備，展現了工業(yè)化生產(chǎn)的潛力。這種高靈敏度、低檢測閾值的傳感器，能夠巧妙識別方向性應力，有望在結構健康監測和智能機器人領(lǐng)域帶來(lái)革命性變化，推動(dòng)工業(yè)技術(shù)進(jìn)步。
作者簡(jiǎn)介
郭益平：本文通訊作者，上海交通大學(xué)教授，主要研究領(lǐng)域：電子功能陶瓷材料和能源及催化材料的研究。主要從事電子功能陶瓷材料和能源及催化材料的研究。以第一作者及通訊作者發(fā)表論文100余篇，包括Advanced Materials, Nano Energy，Chemistry Materials等，文章發(fā)表以來(lái)，產(chǎn)生了較為廣泛的學(xué)術(shù)影響，第一作者及通訊作者論文他引次數超過(guò)5300余篇次，授權發(fā)明專(zhuān)利10余項。先后承擔包括國家自然科學(xué)基金項目在內的多項國家級項目和企業(yè)合作項目,是上海市浦江人才計劃和上海市自然科學(xué)一等獎的獲得者。郭益平教授在做好教學(xué)和基礎研究的同時(shí)，也踐行把論文寫(xiě)在祖國的大地上，為國家重點(diǎn)應用需求做出了貢獻。
