유연한 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 압전 필름 기반의 초민감 스트레인 센서

결과 및 토론

그림 2a는 광학 현미경으로 확인한 Al 에칭 후 센서의 표면 형태를 보여줍니다. 상당히 밝고 어두운 대비는 PVDF와 에칭된 Al 전극 사이의 명확한 경계면을 나타냅니다. 그림 2b, c는 압력 센서의 PVDF 필름의 표면 형태와 위상 신호를 보여줍니다. PVDF의 표면은 조직 구조로 매끄럽다는 것을 나타냅니다. 그림 2c의 PFM 측정 위상 이미지는 그림 2b의 표면 구조와 일치하는 압전 영역의 강한 응답을 보여줍니다. 이러한 결과는 PVDF 필름을 기반으로 준비된 센서가 우수한 압전성을 나타냄을 시사합니다.

아 에칭 기술 후 제안된 센서의 표면 형태. ㄴ 표면 형태 및 c 센서의 PVDF 필름의 위상 PFM 이미지

98.1kPa의 일정한 압력이 센서의 제곱 전극 중 하나에 가해질 때 출력 신호의 일반적인 결과가 그림 3a에 나와 있습니다[17]. x -축 및 y -축은 각각 센서의 제곱 전극의 시간과 출력 전압을 나타냅니다. 출력 전압은 센서의 PVDF 필름에 의해 생성된 전하(Q)에서 변환되었습니다. 압전 방정식(여기서 d ₃₃ 분극 방향이 전기장의 방향과 같을 때 압전 상수이고 F_Z 압력이 z에 적용됨을 의미합니다. - d와 같은 방향 ₃₃ ), 출력 전압과 압력 사이의 관계를 설정할 수 있습니다. 원시 데이터는 49~51Hz의 대역 블록을 적용하여 얻었습니다. 이 그림의 화살표 선은 센서에 가해지는 압력에 의해 생성된 약 123.1mV의 신호를 나타냅니다. 압력에 따른 센서의 출력 전압은 낮은 노이즈와 높은 신호 대 노이즈 비율로 신호에 명확하게 나타납니다. 센서 어레이의 동기 특성을 확인하기 위해 113.2kPa의 동일한 압력을 센서의 4개 유닛에 동시에 가했습니다. 압력에 의해 유도된 출력 전압 신호는 그림 3b에 나와 있습니다. 4개의 센서 유닛에서 동시에 약 190mV의 거의 동일한 출력 값을 얻었는데, 이는 센서 어레이가 다점 압력을 가하여 높은 안정성과 동기 특성을 나타냄을 시사합니다. 센서 어레이를 보정하기 위해 60~150kPa 범위의 다양한 압력이 센서 어레이에 적용되었습니다. 출력 전압 대 인가된 압력을 구하고 선형 관계를 나타내는 그림 3c에 표시된 교정 곡선으로 플로팅했습니다. 선형 곡선의 기울기는 약 2.9mV/kPa이고 보정 곡선에는 - 159.2mV의 오프셋이 있습니다.

a에 대한 필터링된 출력 전압 전극 사각형 및 b 센서 어레이의 4개의 전극 사각형. ㄷ 제안된 센서의 라이너 교정 곡선 맞춤

다양한 주파수의 임펄스 압력을 적용하여 센서의 한 제곱 전극의 홀드 및 릴리스 출력 응답을 얻었습니다. 그림 4a의 플롯된 곡선은 90Hz의 주파수로 약 75.1kPa의 임펄스 압력을 적용한 센서의 일반적인 응답을 보여줍니다. 양의 출력 전압은 센서 어레이의 전극 사각형의 압축에 해당하고 음의 출력 전압은 이완에 해당합니다. 그림 4a의 삽입에서 볼 수 있듯이, 베어 압전 PVDF 필름[18]에서도 유사한 홀드 및 릴리스 출력 응답이 관찰되었습니다. 센서의 출력 전압의 응답 시간은 2ms 미만이며 이는 센서가 우수한 전기-기계적 응답 특성을 나타냄을 나타냅니다. 60~150kPa 범위의 임펄스 압력이 센서 어레이에 적용되었습니다. 홀드 앤 릴리스 출력 응답 곡선은 그림 4b에 나와 있습니다. 센서는 서로 다른 압력에서 약 2ms의 응답 시간으로 안정적인 전기-기계적 응답 특성을 나타내며 서로 다른 압력에서 센서의 출력 전압은 위에서 얻은 선형 교정 곡선과 일치합니다.

a의 압력에서 홀드 앤 릴리스 출력 응답 75.1kPa, b 58.2kPa, c 67.8kPa, d 81.9kPa, e 98.1kPa 및 f 153.6kPa 삽입된 그림은 베어 PVDF 필름에서 얻은 홀드 앤 릴리스 출력 응답을 보여줍니다.

다음으로 선택점에 대한 압력의 적용을 연구합니다. 어레이 중 하나의 전극에 압력이 가해지면 인접한 어레이 사이에 신호 간섭이 표시됩니다. 신호 간섭 시뮬레이션은 어레이에서 COMSOL Multiphysics를 통해 수행되었습니다. 각 전극 면적은 1.4mm ² 입니다. . 구조의 기하학은 그림 5a에 나와 있습니다. 전극 A에 압력이 가해질 때 추가 변형은 그림 5b에서 볼 수 있으며, 이는 전극 A에서 멀어질수록 변형이 증가함을 나타냅니다. 20~80kPa의 압력 수준에서 전위차의 간섭이 연구되었으며 그림 5c. 전위차와 압력은 기울기가 0.028mV/kPa이고 절편이 5 × 10 ⁻⁴ 인 선형 관계를 나타냅니다. mV, 매우 낮은 수준의 간섭을 의미합니다. 178kPa 미만의 압력은 무시할 수 있는 5mV 미만의 신호 간섭을 생성합니다[16, 17]. 또한 어레이 전극 크기에 대한 간섭의 의존성이 조사되었습니다. 그림 5d는 전극 크기가 1.2, 1.0, 0.8mm인 결과를 보여줍니다. ² . 가장 작은 전극에서도 간섭 전위차와 압력(20~60kPa 범위) 사이의 선형 관계가 여전히 관찰될 수 있음을 보여줍니다. 인터페이스 전압에 대한 피팅 기울기는 각각 0.01748, 0.01181, 0.00574mV/kPa이며, 작은 전극 크기에서 감소된 간섭 전위가 관찰된 세 가지 구조입니다.

아 이론적 시뮬레이션에 사용되는 물리적 치수입니다. ㄴ 변위 및 c 1.4mm의 어레이 크기로 간섭 전압과 적용된 압력 사이의 라이너 곡선 맞춤. d 각각 0.8, 1.0, 1.2mm의 어레이 크기를 사용하여 얻은 결과

간단한 실용화를 위해 센서를 적용하여 사람 손의 압력 상태와 손가락의 분포를 측정하였다. 우리 모두가 알고 있듯이 복잡한 손가락 움직임은 지압, 주무르기, 문지르기, 마찰 등과 같은 몇 가지 기본 기술로 구성됩니다[19]. 우리의 실험에서는 지압, 주무르기, 문지름을 포함하여 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 동작을 선택하여 손가락의 압력 상태와 분포를 테스트했습니다. 그림 6은 각각 손가락이 세 번 움직일 때 센서에 의해 특징지어지는 엄지손가락의 압력 분포 스냅을 보여줍니다. 그림 6a에서 지압 동작 시 76kPa의 압력이 엄지손가락 중앙에 집중된 것을 분명히 알 수 있었는데, 이는 각각 그림 6b, c에서 볼 수 있는 주무름과 문지름과 상당히 다른 것입니다. 그림 6b는 주무르기 동작 중에 엄지손가락 앞쪽의 압력이 손가락의 다른 부분보다 높은 반면, 엄지손가락의 압력은 그림 6과 같이 문지름 동작 동안 상당히 균일함(약 68kPa)을 보여줍니다. 6c. 손가락에서 관찰된 압력 분포는 임상 관찰에서 이전 보고서[17, 20]와 다소 유사합니다. 우리의 측정에 따르면 유연한 강유전성 PVDF 필름을 기반으로 하는 스트레인 센서는 복잡한 손가락 움직임을 특성화하는 데 민감한 것으로 판명되었습니다. 제안된 센서를 이용하여 인간의 손가락의 기능을 보다 정밀하게 탐색할 수 있을 것으로 기대되며, 향후 인간의 손가락을 대체할 로봇의 개발에도 도움이 될 것으로 기대된다.

제안된 센서가 특징짓는 엄지손가락 움직임의 압력 상태와 분포:a 지압, b 반죽 및 c 문지르다

결론적으로, 압전 PVDF 박막을 기반으로 하는 16개의 커패시터 유닛을 포함하는 4 × 4 센서 어레이가 제작되고 PDMS로 패키징되었다. 센서 어레이는 유연하고 고감도 특성을 나타냅니다. 센서의 유지 및 해제 출력 응답은 다양한 주파수의 임펄스 압력을 적용하여 얻었으며, 이는 60~150kPa 범위의 압력을 적용할 때 센서 어레이가 2ms 이내에 20~300mV 전압 신호를 생성할 수 있음을 나타냅니다. 제안된 센서를 사용하여 사람의 손이 손가락을 움직일 때 손가락에서 분명히 다른 압력 분포를 관찰하였으며, 이는 사람의 손가락의 기술을 보다 정확하게 탐구할 것으로 기대됩니다.