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物联网机器人新突破 高敏感度仿生传感器问世

2019-06-09 09:59 出处:未知 人气: 评论(

  不像人的其他四个感官视觉,听觉,嗅觉和味觉在实验室中,触觉依然很顽固地难以被模仿。一款优秀的人工皮肤需要对至少50微米范围的触摸区域高度敏感并对所受压力快速做出反应。研究人员已经成功地制造出此种传感器阵列用来做电子皮肤,或智能皮肤。它们由纳米线或微结构的橡胶层组装而成,这些纳米线和橡胶层能响应压力,改变电容或电阻。但是,即使在最好的情况下,这些材料也只能以毫米级的分辨率来显示受力的分布。

  在乔治亚理工学院,一个由王中林(音译)带领的团队在这个问题上已经取得了很大进步。他们通过开发第一个基于单管LED的受力/施力传感器阵列来解决这一问题,这个阵列可以在小余3微米的范围内快速映射力的变化。这种新装置的像素密度高达每英寸6350点(6350DPI),这比之前同类传感器的记录好1000倍。一个像素就是一个LED灯管,灯管包含单根生长在有p型杂质的氮化镓上的氧化锌纳米线。由于所谓的压力矩阵光电效应,这种灯管对局部受压力,施力和所受张力敏感。

物联网机器人新突破 高敏感度仿生传感器问世

  压电电位

  压电材料在受到机械应力时产生极化电荷,同时组件晶体的对称性变得扭曲。压力光电设备依靠这个原则,通过产生在单个纳米结构末端的极化电荷来控制电子传输和重组,纳米结构与P-N接口相连,光就产生在那里。王中林(音译)解释说,在这种新工艺里,受到张力的氧化锌纳米线在两个端部产生压电电荷,形成一个压电电位。这种电位扭曲了纳米线的带隙结构,使电子在PN接口区域停留更长时间,这就提高了LED的发光效率。

  设备发出的光随着受力的变化而变化。这种输出信号是电致发光,可以很容易地和芯片上的光子技术集成,做到快速地传递,处理和记录数据。王中林(音译)说,传统的使用横杆电极进行顺序数据输出的方式被替换掉,所有的纳米管能够平行地收到压力图像或映射信号。这意味着,相比于传统的基于压阻或电容效应的设计,这种输出信号可以被更快得检测到(在90毫秒内)。

  这种方法可能是机械信号的数字成像技术的一个重大的进步,通过光学手段潜在应用于触控板,个性化签名,生物成像和光学MEMS,王中林对物理世界网站说到。这样的传感器阵列也可以制作在柔性基板(如PDMS或碳纤维)。由于图案化的氧化锌纳米线可以培植在任何采用低温溶液生长技术的平面上,这一技术有可能开辟出许多其他应用领域。

  团队使他们的设备使用低温化学生长技术在氮化镓薄膜衬底上创建氧化锌纳米线图案化阵列。然后研究人员用PMMA热塑性塑料填充纳米线之间的空隙,再用氧等离子体蚀刻掉多余的PMMA热塑塑料,暴露出纳米管的顶端。最后的步骤包括形成欧姆接触,底部的氮化镓薄膜使用镍金电极,阵列顶部沉积透明的铟锡氧化物薄膜作为公共电极。

  更灵敏的机器人?更好的假肢?

  该传感器阵列可以检测到细微至10kPa的压力变化,类似于一次轻轻的手指触碰。除了可能提供给机器人更敏感的触觉,使他们能够调整掌握的东西的力量以外,新的设备也可以被用来改善人体假肢。他们甚至可能被用于所谓的电子签名映射。现在,传感器会记录下一个人签署自己名字时所受到的压力或施加的力,以及与他们写的速度,使签名更安全。

  团队表示,他们现在将考虑如何进一步提高阵列的空间分辨率。这可能是通过降低纳米线的直径,使单位阵列内容下更多的纳米管和使用更高温度制造流程来完成。

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