南方科技大学、中国科学技術大学、COMAC：3Dプリントされた超高速応答静電容量式電子皮膚

出典: MF PuSL High Precision

柔軟な圧力センサーは、機械的刺激を電気信号に変換し、環境との友好的な相互作用を実現します。静電容量式フレキシブル圧力センサーは、静圧だけでなく動圧も同時に検出できます。信号も比較的安定しているため、広く研究され、応用されています。ただし、このようなセンサーの応答速度は通常、数十ミリ秒（数十ヘルツの周波数帯域幅に相当）程度と低速です。これは、誘電体層として使用される柔らかい材料の動圧に対する応答時間（応答時間はナノ秒単位で、対応する周波数帯域幅は数十億ヘルツに達することがあります）とは少なくとも 6 ～ 7 桁異なります。この大きな違いは主に 2 つの側面から生じます。1 つは材料の粘弾性であり、もう 1 つは動的荷重および除荷時の電極と誘電体層との界面でのエネルギー散逸です。しかし、過去 10 年ほどの間、研究者は微細構造界面でのエネルギー散逸が応答速度に与える影響を認識していませんでした。

上記の問題に対処するため、南方科技大学材料科学工学部の郭伝飛教授、中国科学技術大学現代機械工学部の王劉教授、中国商用飛機集団有限公司の陳英春研究員が協力し、超高速応答の静電容量式電子スキンを開発しました。研究チームは、微細構造界面でのエネルギー散逸が静電容量型フレキシブル圧力センサーの応答回復速度に与える影響について詳細な研究を行い、微細構造界面での統合接合技術を使用して、このタイプのセンサーの周波数帯域幅を数百ヘルツから少なくとも12,500 Hzに拡大しました。この研究は、動的圧力検出から音響場まで、静電容量型フレキシブル圧力センサーの応用を促進するための新しいアイデアを提供します。

関連する結果は、「接着された微細構造インターフェースによる10kHz以上の帯域幅を備えた超高速圧電容量性ソフト圧力センサー」というタイトルで学術誌「ネイチャーコミュニケーションズ」に掲載されました。南方科技大学材料科学工学部の博士課程学生である張元、中国科学院深圳先進技術研究所の上級エンジニアである周暁夢、中国科学技術大学現代機械学部の修士課程学生である張念が、この論文の共同筆頭著者です。郭伝飛教授、王劉教授、陳英春研究員が共同責任著者です。南方科技大学は、この論文の最初の責任ユニットです。

研究チームは有限要素シミュレーションを通じて、微細構造界面が接着・脱着プロセス中に大きなエネルギー散逸を引き起こし、それがある程度デバイスの応答速度の低下につながることを発見しました。この問題を解決するために、研究チームは微細構造界面に統合接合技術を使用し、それをエラストマー-カーボンナノチューブのパーコレーション遷移検知機構と組み合わせることで、高感度を確保しながらセンサーの応答速度を12,500 Hzまで高めることに成功しました。研究チームは、MMF nanoArch® S130（精度：2μm）3Dプリンティング装置を使用して、マイクロコーン構造テンプレート（直径：50μm、高さ：40μm）の高精度印刷を実現し、リバースモールディング技術を組み合わせて柔軟なPDMS-CNTsマイクロ構造誘電体層を準備しました。ドープされたカーボンナノチューブを使用して粘弾性を低減し、結合された微細構造インターフェースと組み合わせて界面摩擦エネルギーの散逸を低減することで、センサーの超高速応答が実現します (図 1)。

図 1. 非結合および結合マイクロ構造インターフェースを持つセンサーのロードおよびアンロード時のエネルギー損失と、結合マイクロ構造インターフェースを持つセンサーの応答回復時間の比較。結合マイクロコーンインターフェースは、接触分離プロセス中のエネルギー散逸を減らすことができるため、センサーの応答および回復速度が向上します。研究チームはさらに、有限要素シミュレーションを通じて、マイクロコーン構造が応答と回復時間に与える影響を研究しました。マイクロコーン構造の3つの重要なパラメータ（高さH、初期接触面積A0、直径D）を調整することで、異なるパラメータを持つマイクロコーン構造が応答と回復時間に与える影響を研究し、低いエネルギー散逸、高い感度、高い機械的安定性のバランスを実現しました（図2）。

図 2. さまざまなマイクロコーンの構造パラメータに対応するエネルギー散逸と感度。超高速応答を備えたこの柔軟な圧力センサーは、高周波振動を検出できます。研究チームは、センサーの応答範囲を静圧から12,500 Hzの高周波振動まで拡張できることを実証しました。静圧100 kPaで500、4,000、8,000、12,500 Hzの重畳振動信号を検出できるだけでなく、周波数1,000 Hzで0.2 Hzの周波数分解能も備えています（図3）。

図 3. 結合された微細構造インターフェースを備えたセンサーによる高周波振動の認識。研究チームはさらに、このセンサーを使用して人工耳システムを設計し、このシステムを音の検出に使用しました。研究者らは、このセンサーのテスト結果を市販のマイクロフォンや非結合微細構造インターフェースを備えた従来のセンサーの結果と比較し、このセンサーの音声認識能力は市販のマイクロフォンとほぼ同じであることを発見し、音響分野におけるこのセンサーの応用可能性を実証しました（図4）。

図 4. 接着および非接着の微細構造インターフェースを持つセンサーと市販のマイクの音声認識機能の比較。電極層と粘弾性誘電体層の間に大きな隙間があることは、非接着インターフェースを持つほとんどの静電容量式フレキシブル圧力センサーが直面する共通の問題であり、界面エネルギーの散逸が高くなり、接着-脱着中の高周波振動を検出できなくなります。この研究では、静電容量式フレキシブル圧力センサーの応答速度と回復速度を改善するための新しい戦略を提案し、その周波数帯域幅を大幅に拡大し、音響などの分野での応用に新たな可能性をもたらしました。

この研究は、中国国家自然科学基金、広東省科学技術庁、深セン市科学技術イノベーション委員会の支援を受けて行われました。

オリジナルリンク: https://www.nature.com/articles/s41467-024-47408-z

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