Sensor Regangan Ultra-Sensitif Berdasarkan Film Piezoelektrik Poli(vinylidene fluoride) Fleksibel

Hasil dan Diskusi

Gambar 2a menunjukkan morfologi permukaan sensor setelah pengetsaan Al, diperiksa dengan mikroskop optik. Kontras yang cukup terang dan gelap menunjukkan antarmuka yang jelas antara PVDF dan elektroda Al yang tergores. Gambar 2b, c menunjukkan morfologi permukaan dan sinyal fase film PVDF dari sensor tekanan. Hal ini menunjukkan bahwa permukaan PVDF halus dengan struktur jaringan. Gambar fase pengukuran PFM pada Gambar 2c menunjukkan respons yang kuat dari domain piezoelektrik yang konsisten dengan struktur permukaan yang terlihat pada Gambar 2b. Hasil ini menunjukkan bahwa sensor yang disiapkan berdasarkan film PVDF menunjukkan piezoelektrik yang baik.

a Morfologi permukaan sensor yang diusulkan setelah teknologi etsa. b Morfologi permukaan dan c gambar fase PFM dari film PVDF sensor

Hasil khas dari sinyal output ditunjukkan pada Gambar. 3a ketika tekanan konstan 98.1 kPa diterapkan pada salah satu elektroda kuadrat dari sensor [17]. x -sumbu dan y -sumbu menunjukkan waktu dan tegangan output dari elektroda kuadrat dari sensor, masing-masing. Tegangan keluaran diubah dari muatan (Q) yang dihasilkan oleh film PVDF dari sensor. Berdasarkan persamaan piezoelektrik (di mana d ₃₃ adalah konstanta piezoelektrik ketika arah polarisasi sama dengan arah medan listrik dan F_Z berarti tekanan diterapkan pada z -arah dengan arah yang sama dari d ₃₃ ), hubungan antara tegangan keluaran dan tekanan dapat dibuat. Data mentah diperoleh dengan menerapkan blok pita 49–51 Hz. Garis panah pada gambar ini menunjukkan sinyal sekitar 123,1 mV yang dihasilkan oleh tekanan yang diterapkan pada sensor. Tegangan keluaran sensor dengan tekanan ditunjukkan dengan jelas dalam sinyal dengan noise rendah dan rasio signal-to-noise yang tinggi. Untuk mengonfirmasi properti sinkron dari larik sensor, tekanan yang sama sebesar 113,2 kPa diterapkan pada empat unit sensor, secara bersamaan. Sinyal tegangan keluaran yang diinduksi oleh tekanan ditunjukkan pada Gambar. 3b. Nilai output yang hampir sama sekitar 190 mV diperoleh dari empat unit sensor pada saat yang sama, yang menunjukkan bahwa susunan sensor menunjukkan stabilitas tinggi dan properti sinkron dengan menerapkan tekanan multititik. Untuk mengkalibrasi larik sensor, tekanan berbeda dalam kisaran 60–150 kPa diterapkan pada larik sensor; tegangan keluaran vs. tekanan yang diberikan diperoleh dan diplot sebagai kurva kalibrasi yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, yang menunjukkan hubungan linier. Kemiringan kurva linier sekitar 2,9 mV/kPa, dan terdapat offset 159,2 mV pada kurva kalibrasi.

Tegangan keluaran yang difilter untuk a persegi elektroda dan b empat kotak elektroda dari array sensor. c Kurva kalibrasi liner sesuai dengan sensor yang diusulkan

Respon keluaran tahan dan lepas dari satu elektroda kuadrat dari sensor diperoleh dengan menerapkan tekanan impuls dengan berbagai frekuensi. Kurva yang diplot pada Gambar 4a menunjukkan respons tipikal sensor dengan menerapkan tekanan impuls sekitar 75,1 kPa dengan frekuensi 90 Hz. Tegangan output positif sesuai dengan kompresi kotak elektroda dari array sensor, dan tegangan output negatif sesuai dengan relaksasi. Seperti yang terlihat pada inset Gambar. 4a, respons keluaran tahan dan lepas yang serupa juga telah diamati pada film PVDF piezoelektrik telanjang [18]. Waktu respons tegangan keluaran sensor kurang dari 2 md, yang menunjukkan bahwa sensor menunjukkan properti respons elektro-mekanis yang baik. Tekanan impuls dalam kisaran 60–150 kPa diterapkan pada larik sensor. Kurva respons keluaran tahan-dan-lepaskan ditunjukkan pada Gambar. 4b. Sensor menunjukkan karakteristik respons elektro-mekanis yang stabil dengan waktu respons sekitar 2 md pada tekanan yang berbeda, dan tegangan keluaran sensor pada tekanan yang berbeda konsisten dengan kurva kalibrasi linier yang diperoleh di atas.

Respon keluaran tahan dan lepas dari tekanan a 75,1 kPa, b 58,2 kPa, c 67.8 kPa, d 81,9 kPa, e 98,1 kPa, dan f 153,6 kPa; inset menunjukkan respons keluaran tahan dan lepas yang diperoleh dari film PVDF telanjang

Selanjutnya, penerapan tekanan pada titik selektif dipelajari. Interferensi sinyal ditunjukkan antara susunan yang berdekatan, ketika tekanan diterapkan pada elektroda salah satu susunan. Simulasi interferensi sinyal dilakukan melalui COMSOL Multiphysics pada array. Setiap area elektroda berukuran 1,4 mm ² . Geometri struktur ditunjukkan pada Gambar 5a. Regangan tambahan, ketika tekanan diterapkan pada elektroda A, terlihat pada Gambar. 5b, menunjukkan regangan meningkat dengan jarak dari elektroda A. Interferensi perbedaan potensial dengan tingkat tekanan 20~80 kPa dipelajari, ditunjukkan pada Gambar 5c. Perbedaan potensial dan tekanan menunjukkan hubungan linier dengan kemiringan 0,028 mV/kPa dan intersep 5 × 10 ⁻⁴ mV, menyiratkan interferensi tingkat sangat rendah. Tekanan di bawah 178 kPa akan menghasilkan gangguan sinyal kurang dari 5 mV yang dapat diabaikan [16, 17]. Selain itu, ketergantungan interferensi pada ukuran elektroda array telah diselidiki. Gambar 5d menunjukkan hasil dengan ukuran elektroda 1,2, 1,0, dan 0,8 mm ² . Hal ini menunjukkan bahwa hubungan linier antara perbedaan potensial interferensi dan tekanan (dalam kisaran 20~60 kPa) masih dapat diamati pada elektroda terkecil. Kemiringan pemasangan untuk tegangan antarmuka adalah 0,01748, 0,01181, dan 0,00574 mV/kPa, masing-masing, untuk tiga struktur dengan pengamatan yang dicatat tentang potensi interferensi yang berkurang dalam ukuran elektroda yang lebih kecil.

a Dimensi fisik digunakan untuk simulasi teoritis. b Perpindahan dan c pemasangan kurva liner antara tegangan interferensi dan tekanan yang diterapkan dengan ukuran larik 1,4 mm. d Memperoleh hasil menggunakan ukuran larik masing-masing 0,8, 1,0, dan 1,2 mm

Untuk aplikasi praktis sederhana, sensor diterapkan untuk mengukur keadaan tekanan dan distribusi jari tangan manusia. Seperti yang telah kita ketahui bersama, gerakan jari yang kompleks terdiri dari beberapa keterampilan dasar, seperti shiatsu, menguleni, menggosok, gesekan, dan sebagainya [19]. Dalam percobaan kami, tiga gerakan yang paling umum digunakan termasuk shiatsu, menguleni, dan menggosok dipilih untuk menguji keadaan tekanan dan distribusi jari. Gambar 6 menunjukkan snap distribusi tekanan jari jempol yang ditandai oleh sensor selama tiga gerakan jari, masing-masing. Pada Gambar 6a, dapat dilihat dengan jelas bahwa tekanan 76 kPa difokuskan di bagian tengah ibu jari selama gerakan shiatsu, yang cukup berbeda dengan menguleni dan menggosok yang terlihat pada Gambar 6b, c, masing-masing. Gambar 6b ​​menunjukkan tekanan dari bagian depan ibu jari lebih tinggi dari bagian jari lainnya selama gerakan menguleni, sedangkan tekanan ibu jari cukup seragam (sekitar 68 kPa) selama gerakan menggosok seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c. Distribusi tekanan yang diamati di jari agak mirip dengan laporan sebelumnya dalam pengamatan klinis [17, 20]. Menurut pengukuran kami, sensor regangan berdasarkan film PVDF feroelektrik fleksibel terbukti sensitif untuk mengkarakterisasi gerakan jari yang kompleks. Diharapkan untuk mengeksplorasi keterampilan jari manusia lebih tepat dengan menggunakan sensor yang diusulkan, dan juga akan membantu untuk mengembangkan robot pengganti jari manusia di masa depan.

Status tekanan dan distribusi gerakan ibu jari yang dicirikan oleh sensor yang diusulkan:a shiatsu, b menguleni, dan c menggosok

Kesimpulannya, array sensor 4 × 4 dengan 16 unit kapasitor berdasarkan film tipis PVDF piezoelektrik telah dibuat dan dikemas dengan PDMS. Array sensor menunjukkan sifat fleksibel dan sensitif tinggi. Respons keluaran tahan dan lepas sensor diperoleh dengan menerapkan tekanan impuls dengan berbagai frekuensi, yang menunjukkan susunan sensor dapat menghasilkan sinyal tegangan 20–300 mV dalam waktu 2 md saat menerapkan tekanan dalam kisaran 60–150 kPa. Distribusi tekanan yang jelas berbeda di jari selama gerakan jari tangan manusia telah diamati dengan menggunakan sensor yang diusulkan, yang diharapkan dapat mengeksplorasi keterampilan jari manusia secara lebih tepat.