生体模倣カポック構造にヒントを得た、調整可能な広い検出範囲と高感度を備えた 3D プリント静電容量式圧力センサー

出典: AdvancedScienceNews

バイオニックカポック構造にヒントを得て、広西大学のロン・ユー教授の研究グループは、広い検出範囲と高い感度を備えた柔軟な静電容量式圧力センサーを報告した。静電容量式圧力センサーの誘電体層は 3D プリント技術に基づいて構築されており、簡単に変形できる凹面と回転構造の設計を備えており、圧力を受けて連続的に変形することができます。この設計により、圧力応答範囲が大幅に拡大し、感度が向上します。

近年、フレキシブル圧力センサーは、さまざまな生理学的パラメータや運動パラメータを継続的に測定できるため、健康モニタリング、病気の診断、人間とコンピューターの相互作用に広く研究され、応用されています。フレキシブル静電容量式圧力センサーは、優れた動的応答、高温耐性、低消費電力により大きな注目を集めています。理想的なフレキシブル圧力センサーは、高い感度と広い検出範囲を備えている必要があります。微細構造（マイクロピラミッドなど）を導入すると感度を効果的に向上できますが、構造変形空間が制限されるため、圧力応答範囲は制限されます。高感度を実現するものの監視範囲が弱くなる微細構造構築戦略と比較して、平坦な固体エラストマーを誘電体層として使用すると、より広い圧力検出範囲を実現できますが、負荷時の変形が比較的小さいため、動作中の感度は低いままになります。一般的に、監視範囲の拡大と各感知段階の感度の向上との間の本質的な矛盾が、フレキシブルセンサーの開発と応用を妨げてきました。

一方、従来のフレキシブルセンサー作製技術では、独特な形状構造の構築が困難、コストが高い、繰り返し製造が難しい、生産サイクルが長いなどの問題がありました。付加製造技術（3D プリンティングとも呼ばれる）は、優れた幾何学的設計の自由度、再現性、および高速な生産サイクルにより、近年大きな注目と開発を受けています。さまざまな 3D 印刷技術の中でも、デジタル光処理 (DLP) は紫外線光源とデジタルマイクロミラーを使用して動的な露光パターンを生成します。処理速度が速く、複雑な形状と構造を持つフレキシブルセンサーを高精度に製造できます。

最近、広西大学のロン・ユー教授のチームはカポックのような誘電体層構造を提案し、3Dプリント技術を通じてこの構造を持つ柔軟な静電容量式圧力センサーを作製しました。カポックの花は開花時に放射状に大きくサイズが変化することから、放射状に伸縮できる花びら構造を提案し、その花びら構造を基に全体の凹構造を設計しました。圧縮後に変形しやすく、圧縮可能量が大きい構造です。カポックのような誘電体層構造に基づく柔軟な静電容量式圧力センサーは、高感度（0～10 kPaで2.38055 kPa−1）、広い検出範囲（734 kPa）、高い再現性（500 kPa内で1200サイクル）、低ヒステリシス（0.8%）、高速応答時間（23 ms）、および高い圧力分解能（500 kPaで0.4%）を備えています。実際の応用では、柔軟な静電容量式圧力センサーを指、手首、肘、膝、足の裏に適宜配置して、さまざまな身体部位の動きを検出し、その結果、良好な適用性があることが示されました。この研究により、インテリジェントロボット、情報認識、人間とコンピュータの相互作用における応用の可能性が開かれると期待されています。

関連する研究結果は、「生物にヒントを得たカポック構造にヒントを得た、調整された広い検出範囲と高感度を備えた静電容量式圧力センサーの 3D プリント」というタイトルで Macromolecular Rapid Communications に掲載されました。広西大学の大学院生であるJin Qingxin氏が第一著者であり、広西大学のLong Yu教授が責任著者である。この研究は、広西チワン族自治区重点研究開発計画、国家重点研究開発計画、中央政府の地方科学技術発展指導特別基金、広西チワン族自治区自然科学基金から強力な支援を受けています。
図 1. 3 次元バイオニックカポック構造 (3DBIKS) に基づく柔軟な圧力センサー。 (a) カポックとその開閉バイオニックモデル。 (b) 3DBIKSの設計コンセプト。 (c) 3DBIKS に基づく誘電体層の 3D プリント。 (d) 3DBIKS をベースにしたフレキシブル圧力センサーアセンブリ。 e) デジタル光処理3Dプリントの原理。
図2. 圧力センサーの感知特性。 (a) 負荷圧力による圧力センサーの相対静電容量（ΔC/C0）の変化。 (b) センサーの応答時間と回復時間。（c）センサーの最小検出圧力。 (d) 0～734kPaの圧力範囲におけるセンサーの相対静電容量の変化。 (e) 10 kPa の圧力で予圧をかけたときのセンサーの相対静電容量の変化と (f) 500 kPa の圧力で予圧をかけたときのセンサーの相対静電容量の変化。センサーは、(e) 10 kPa でプリロードされている場合と (f) 500 kPa でプリロードされている場合に、小さな圧力変化を認識できます。 (g) 同じ圧力（500 kPa）で、異なる周波数（10、30、50、100 mm/分）でセンサーを周期的に圧縮/解放したときの静電容量の相対変化。 h) 0～10、0～50、0～100、0～500、0～734 kPaの応答ヒステリシス。 (i) 0～734kPaの圧力範囲におけるセンサーの相対静電容量変化。 (j) 500 kPaの圧力で1200サイクルのセンサーの圧縮テスト結果。（k）本研究で作製した圧力センサーの感度と、安定した表面微細構造または平面構造を用いた他のセンサーの感度の比較。

論文情報:
生物にヒントを得たカポック構造に着想を得た、調整された広い検出範囲と高感度を備えた静電容量式圧力センサーの 3D プリント
金青馨、王成雲、呉漢、羅新、李佳琦、馬光夢、李宇、羅春耀、郭法偉、玉龍*
高分子高速通信
出典: 10.1002/marc.202300668

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