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四川大学张新星团队afm:光电双输出可视化机械传感器!
来源:高分子科学前沿 发表于 2023/2/28

生物对外界刺激的响应往往多种多样,比如在鞭毛藻内发生一系列连续的信号转导事件,包括动作电位的变化、质子迁移和荧光素的释放,使得鞭毛藻在应对膜干扰时产生显著的蓝色闪光。又或者神经元电位控制,头足类动物的皮肤表现出可调节的颜色/模式。生物体中这些信号的激活往往只需要低至几pa到几kpa的刺激,并在瞬间完成,使实时和高度敏感的机械感知成为可能。模拟生物机械感应的视觉反馈已经引起了科学界相当大的兴趣,促进了智能传感器和光学显示器的发展。然而,模仿这种同时具备机械感应和光学反馈的传感器仍然具有挑战性。


近期,四川大学张新星团队研发了一种可以实现电/光双输出的生物启发机械传感器。该传感器具有机械发光/摩擦电分层结构,能够实时地感知压力和模式显示。研究还发现界面摩擦电场对发光输出和压力可视化有促进作用。所开发的机械传感器具有自功率、双信号和实时模式的感觉行为,具有低力检测限(0.082 n)、高灵敏度(9.69 a.u. n-1),快速响应(35 ms),和良好的可靠性(5000个循环)。利用该机械传感器构建了一个个性化的人机交互系统(hmi),并演示了它在智能控制中的应用。该工作以题为“bioinspired bimodal mechanosensors with real-time, visualized information display for intelligent control” 的文章发表于advanced functional materials上。

传感器的压力可视化和摩擦电传感性能

机械传感器主要由sral2o4:eu2 :dy3 (saoed)荧光包埋polyvinylidene-fluoride-co-hexafluoropropylene(pvdf-hfp)复合材料组成。其中,商业saoed(粒径范围:1-35µm)分布到pvdf-hfp,形成摩擦电/机械发光耦合层(称为sph层,厚度≈100µm),而导电电极(750-800µm,导电率5.46scm -1)夹在两个sph层之间,形成双峰机械传感器(基于摩擦电纳米发电机的单电极模式s-teng)。在摩擦期间,基于摩擦带电和静电感应的耦合效应,通过电极输出电信号。同时,外力转移到嵌入的saoed荧光粉上,由于eu2 发光中心的4f6 5d1→4f7的转变,产生绿色发射)。因此,光/电信号的输出可以同时进行。

saoed的最大激发波长位于360 nm。发射峰在450-600nm之间为绿色发光,中心峰在≈520nm。随后研究了荧光强度与saoed含量之间的相关性。可以观察到,随着荧光粉的掺杂质量上升到25 wt.%,其强度增加了两个数量级。通过机械磨削降低了商用saoed的平均尺寸,以研究粒径对发光性能的影响。发射波长的sph薄膜与荧光粉(最大粒径≈20µm)转向长波长(1纳米),而光致发光强度增加了11%,这可能是归因于eu2 发光中心暴露在荧光粉的表面积大小减少。优化后,得到的传感器实现“1-9”数字和“scu”、“teng”字母的完整轨迹显示,具有高时空分辨率,可以被肉眼实时识别。以“s”的写迹为例,其发光强度的变化与剪切力的变化相一致。结果表明,发射量在1.42 n时达到最高强度,最低的探测力为≈0.082n,器件的机械灵敏度高达9.69 a.u. n-1。

当不同电子亲和的物体在外力作用下与sph层接触时,其表面产生等数的正负电荷。当两种材料分离时,就形成了一个电位差。sph表面的负电荷驱动阳离子不断转移到离子凝胶中,以保持静电平衡。同时,由于电双层的极化,在离子凝胶与金属线的界面上形成相同数量的电子,通过外部电路流入地面。当两种摩擦电材料再次接触时,整个过程发生逆转。因此,在周期性的接触和分离过程中,垂直力被连续地传递到交流电压/电流输出中。文章测量了机械传感器的电输出性能。开路电压(voc)和短路电流(isc)的形状分别为上单峰和非下双峰。当施加的力从5n增加到41 n时,voc的峰值从33增加到62 v,isc从0.71提高到1.62µa。

摩擦-机械发光的协同效应及传感器智能应用

文中发现了基于摩擦电增强机械发光现象。在接触或摩擦作用下,pvdf-hfp表面产生的摩擦电子很容易迁移到分子周围的saoed晶格中,随后被电子缺陷态(如dy3 、氧空位(vo)陷阱和晶格扭曲-间隙空位(vc))捕获。作为一种可能的迁移路径,这些晶格中的自由电子会被dy3 电子捕获中心捕获,从而产生二价离子(dy2 )。然后,通过机械刺激从异常原离子中逃逸的电子通过导带(cb)到达eu2 ,形成4f65d1态的激发态eu2 离子。当eu2 离子的激发电子回到基态时,光子以绿色可见光的形式发射出来。此外,电场会降低阱的深度,进而在晶格中引入更多的空穴,导致saoed的能带更加倾斜,电子更容易逃逸到cb中。促进了摩擦电子和空穴的复合和再释放过程,从而实现了对发光强度的22%的增强。

传感器应用主要为一个自供电的6×6皮肤阵列传感器,通过给出双信号来绘制压力图。当像素1-6、9、10、15、16、21、22、27、28、33和34被手指按顺序按下时(字符“t”的轨迹),相关像素的出现电压,并显示了字母的轨迹。通过开发一个集成了机器人技术的无线信号传输模块和分类指令的软件,建立了一个智能控制系统。当手指在简化的电子皮肤的4个象限上书写,微型汽车根据书写坐标执行向前、后退、左、右转。这样,汽车就能够及时修改其移动轨迹,避开障碍物,说明该控制系统是有效率、灵活的。


小结:该文展示了一种具有实时和可视化信息显示的双信号机械传感器。研究发现表面电荷极化和摩擦电子迁移是摩擦电-光能转换和输出增强的原因。该文提出了一种有效的电/光双输出调制方法,允许机械传感和成像特性的精细调节。该机械传感器具有良好的高机械灵敏度、低检测限、实时压力模式和良好的可靠性,非常适合用于人类生理活动监测和远程机器人控制。这种摩擦电和机械发光的集成和调制策略将使无约束、智能、视觉的机械传感器成为可能,促进人机协作,并加快机器人在传感、医学和家庭服务中的应用。


来源:高分子科学前沿

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