一種基於金屬化納米纖維的、高度可伸縮、透明、摩擦自供電觸覺感測器

可模仿人體的電子皮膚和可穿戴、柔性/可拉伸電子設備已經引起了廣泛關注，成為下一代電子設備的重要候選。高性能柔性觸覺感測器在各種實際應用中已經取得了重大突破，這些應用是基於不同的感測機制，包括壓阻，電容，和壓電等。但是，開發大規模集成、快速響應、高伸縮的透明觸摸感測器仍然是巨大的挑戰。

近日，《Advanced Materials》上發表了一篇利用可圖案化的Ag納米纖維電極，製備了一種自供電，高度可伸縮，透明的摩擦觸覺感測器。銀納米纖維電極表現出高透明度（>70％），低表面電阻（1.68-11.1Ω□-1），優異的拉伸性（> 100％應變）和穩定性。利用圖案化電極和器件設計，可以製造8×8摩擦起電感測器矩陣。基於靜電感應的原理，該感測器在在應變下工作良好。該設備可以獲得快速的觸覺響應，響應時間為70 ms。另外，被檢測物體可以由任何常用材料製成，甚至可以是人手，這表明該設備在觸覺感應和觸摸板技術應用中具有廣泛的潛力。

該裝置製備過程如圖1所示，通過改變靜電紡絲過程中的金屬收集器形狀，可以獲得具有可控纖維取向（單向、正交、60°和隨機取向）的聚乙烯醇納米纖維（PVA NF）。隨後通過磁控濺射在PVANFs的表面上沉積銀薄層來進行PVA NFs的金屬化，得到的PVA / Ag核/殼納米纖維具有優異的導電性。之後，使用光刻技術和濕法蝕刻（硝酸）來獲得圖案化的電極。最後，使用薄的PDMS層來封裝器件。該器件具備良好的透明性和可拉性（圖1d）。

圖1圖案化銀NFs可拉伸透明電極的製作工藝

如圖2a展示了該感測設備的結構和工作原理的示意圖。摩擦觸覺感測器（TETS）基於單電極摩擦納米發電，它是基於麥克斯韋位移電流的原理。當兩種不同材料（PDMS和手指）彼此接觸以產生接觸起電時，會產生摩擦電荷。然後，一旦兩個物體分離，為了平衡靜電場，就會在金屬電極中產生感應電流。如圖2b測試了周期性接觸過程中檢測器件的典型電氣響應，包括輸出電壓，短路電流和傳輸電荷。接觸面積和材料對傳輸的電荷量有很大的影響（圖2c）。拉伸方向與單向AgNFs間夾角會影響感測器產生電壓的大小（圖2e）

圖2摩擦觸覺感測器的電學和機械性能。a）器件結構和工作原理示意圖，觸摸過程中接觸帶電與靜電感應耦合作用產生。b）循環觸摸過程中感測器的輸出電壓和電流信號。c）電極寬度和接觸材料和輸出電壓的函數關係。d）單向AgNFs的TETS在不同拉伸應變下的電壓變化。e）具有不同取向的Ag NFs的裝置的拉伸性能。f）使用隨機取向Ag NFs電極進行連續載入/卸載力測試

通過使用隨機分布AgNFs電極可以製造高度可拉伸的透明自供電摩擦感測器矩陣用於觸覺空間分布探測（圖3）。利用基於交叉定位技術的多通道數據採集系統可以實現快速觸覺成像。該類器件具有廣闊的市場前景，在人機交互、自驅動機器人、柔性顯示屏和可穿戴電子設備中有潛在的應用價值。

圖3觸覺成像用交叉型摩擦起電感測器矩陣

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201706738

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