摩擦电式的大量程压力传感器设计

机器人和人工智能设备的应用无疑需要大量的传感器和传感器网络。常见的柔性压力传感器可以分类为压电式、压阻式、电容式、电阻式、摩擦电式等等。摩擦电式传感器是基于纳米摩擦发电机原理的近年已被大量研发的一种传感器。纳米摩擦发电机可以将环境中广泛的机械能收集起来,通过摩擦起电和静电感应现象的相互耦合将机械能转变为电能。在较高的压力下,由于材料的形变和接触面积的极限,传感器的输出信号不再因压力的增长而上升。因此,关于较高压强的摩擦电传感器研究相对较少。为了解决该问题引入了变刚度功能梯度材料概念,即向聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜中加入不同含量的碳化硅(SiC)微末改变薄膜的杨氏模量。利用逐层浇铸法和牺牲材料法制备了一种内部带有微孔结构的变刚度梯度PDMS薄膜。在检测动态压力的过程中,薄膜内部微孔因压力增加而压缩,从而提升介电常数来提高输出电压信号。相较于纯的PDMS薄膜,变刚度梯度薄膜作摩擦层的传感器量程可提升至500 kPa以上。