摩擦传感器作为扫描探针表面形貌成像的自供电信号器外文翻译资料

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摩擦传感器作为扫描探针表面形貌成像的自供电信号器

Aifang Yu^1,3, Libo Chen^1,3, Xiangyu Chen¹, Aihua Zhang¹, Fengru Fan¹,

Yan Zhan¹ and Zhong Lin Wang^1,2

1中华人民共和国，中国科学院，北京奈米能源和纳米技术研究院

2美国，格鲁吉亚30332-0245，亚特兰大，乔治亚理工学院，材料科学与工程学院

摘要：我们报道了一种利用摩擦电传感器（TES）而无需外接电源或光源的用于表面形貌成像的自供电信号读取机制。膜结构摩擦纳米发电机（TENG）是基于晶须（探针）设计的；当它扫描在粗糙的表面时，晶须的偏转导致了膜结构摩擦纳米发电机的两个接触面通过一个电输出电流/电压来反应晶须的弯曲度。进行了一系列的研究来表征TES的性能，如0.45 V 1mmminus;高灵敏度、良好的8mV的重复标准偏差，18mu;m的高Z轴分辨率，以及采用长度为11mm半径为120mu;m的探针的250mu;m的横向辨率。它不仅可以识别表面特性和尺寸，而且可以在扫描模式下进行表面形貌成像。这项研究表明，TES作为一个自动力触觉传感器应用在相对低的空间分辨率的潜力。

关键词：摩擦电发电机，自供电传感器，触觉传感器（有些数字可能只能在网上显示颜色。）

引言

触觉传感/成像在自动控制，遥控操作，安全系统，医疗程序，推进机器人发展上有着巨大的应用[1–6]。哺乳动物和昆虫独特的感知功能非常吸引人，并受到智能电器的积极模拟[7–11]。哺乳动物胡须是另一类重要的生物传感器，它可以介导触觉传感以实现附近物体的空间映射，监控空气流动，甚至使先进的机器人运动能力平衡，类似于某些昆虫和哺乳动物的能力[12–14]。各种电子晶须基于不同的转换方法，包括压电电阻、光学、压电或电容，已开发用于各种应用[11, 15–17].。所有这些机制都依赖于传感单元的变形，以响应晶须与被检测物体的相互作用。与其他传感器相比，电子晶须具有较高的灵敏度，可以在极其安静的环境下使用（灰尘，烟雾，黑暗）,而其他类型近端感应的疗效可能受到严重损害或限制。然而，一个共同的限制是大多数这些传感器需要一个外部电源或光源，这对这种传感器的寿命和普遍性提出了挑战。因此，必须采取新的方法来克服这一限制。最近，一类基于摩擦纳米发电机新型自供电的传感器被发明出来，通过在其工作环境中将机械刺激转变为一个自发性的电信号（电流/电压），基于传感器的TENG能够独立工作而不需要外部电源。基于普遍接触电起效应和静电感应的耦合，TENG已经被广泛采用，成功建立具有高输出的优越性能的成本有效且稳健的自供电传感系统，如速度传感器[ 19 ] [ 20 ]，化学传感器，压力传感器[ 21 ]，空间位移[ 22 ]，声学传感器[ 23 ]，等等[ 24 ]。

在本文中，我们提出了一个新颖的电传感器（TES），由接触-分离模式中树立在TENG的表面的晶须（探针）构成。通过扫描一个被检测物体上的晶须，在TENG中两个接触面之间的距离将被调整。间隙距离的变化导致输出电信号的变化，这是由于接触带电的两个表面静电充电形成的电容的变化。其大小反映了晶须被表面形貌弯曲的程度，因而可以直接用于表面的成像。该传感单元采用自供电，不依赖外部电源，大大拓展了其应用领域。

图1：工农业污水处理厂结构设计。（a）传感器的示意图和（b）其截面图。（c）离子刻蚀法在薄膜表面制备聚四氟乙烯纳米粒子结构的SEM图像。

实验部分

TES的结构由两个主要部分组成：人造晶须（二氧化硅）和TENG。安装在传感基座中心的人造晶须与被测物体直接相互作用。传感器结构示意图如图1（a）所示。一旦一个对象接触晶须，晶须将横向偏转或弯曲响应，这反过来又导致TENG上的薄膜倾斜或弯曲。由于接触电效应和静电感应的耦合，上膜的弯曲会因电容的变化而产生电输出。为了更好的说明时，芯的横截面图显示在图1（b），采用多层结构。以激光切割为基体，制备出厚度为3 mm的丙烯酸片材。在其中心，用激光雕刻制作了一个直径约0.5毫米，直径为3厘米的圆孔。在一个接触面和电极上沉积了一层厚度为100纳米的铜（Cu）层。另一接触面为聚四氟乙烯膜，沉积的铜膜作为背面电极附着在丙烯酸基片上。聚四氟乙烯表面通过电感耦合等离子体对反应离子刻蚀（ICP）被修改创建纳米结构来进一步增加TENG的表面粗糙度和表面有效面积的有效摩擦起电，如图1所示（C）。在电压测量过程中，TENG与Keithley 6514系统静电计连接在一起。为了简化测量过程，在所有的检测中，TES处于停滞状态并且被检测物体的移动速度被设置为1 mm s^minus;1。由一个低噪声电流前置放大器测量了TENG的输出电流信号（斯坦福研究SR570）。KLA-Tencor D-100表面轮廓仪作为参考传感器。

结果与讨论

图2描绘了TES的发电机制。这可以解释由耦合之间的摩擦电效应和静电感应。由于PTFE膜具有比铜接触面更多的摩擦电的负极，电子从铜接触面注入PTEF膜，由于以往周期的接触带电，在Cu接触面产生正摩擦电荷和在聚四氟乙烯面产生负电荷。正负摩擦带电电荷没有被消除，而是在一段时间的延长期内留在了PTFE膜和铜电极的表面。为了更好地理解传感器的工作机理，给出了传感器的等效电路。TENG可以被认为是并联的两个电容器。在这里，C1和C2分别表示器件的左边和右边部分的电容值，而PTFE膜的应变将导致C1和C2的变化。在初始的分离状态，如图2（a）所示，输出电压取决于表面电荷密度和两个电极之间的距离。开路电压给定为[ 26 ]。

其中D是两摩擦面之间的距离，ε0是自由空间的介电常数，ε是相对介电常数，和sigma;是感应表面电荷密度。

图2：TES发电量流程的全循环。

我们使用输出电压来表征TES对一个物体的响应，它被定义为开路电压相对于分离状态的差值。有一个相当于通过将静电计设置为零对应的分离状态的零基线。考虑到铜接触面和铜电极连接到测量系统的正负端，输出电压总是正值。当晶须接触到一个物体并被弯曲时，聚四氟乙烯膜就会弯曲。然后，可以从 2(b)看出，聚四氟乙烯的左边部分逐渐接近铜电极，而聚四氟乙烯的右边部分将膨胀到更高的位置。因此，左边的C1会减少，右边的C2会增加。在这个过程中，PTFE和铜电极之间的总电容会有轻微的变化。相应的输出电压有缓慢增加。随着应变的增加，PTFE与铜电极相连的左边部分和电荷中和如图2所示的发生（C）。因此，由于电荷中和，器件的左半部分不影响输出电压，而输出电压仅由设备的右部分决定。在这里，由于PTFE良好的绝缘性能，我们假设表面电荷密度在这个接触位置不会改变。两摩擦表面之间的有效电容仅由C2的右部分。开路电压为：

D2为两摩擦表面之间的距离（C2）。由于d2的距离正是在第一阶段与d2相比增加的一部分，输出电压也将相应增加。如果晶须应变连续并且PTFT膜的变形没有达到弹性极限，输出电压的增加将继续下去直到PTFE膜形变到达最高点。此时，输出电压达到最大值。当晶须离开物体时，PTFE的两部分向初始状态移动。为了减少分离，输出电压下降(图2（d））。最后，应变释放，摩擦电荷分布恢复到原来的状态（图2（a））。这是一个完整的发电周期。我们已经设计并进行了一系列的测量来表征TES的性能，如下所述。TES的性能取决于晶须的大小。因此在相同的尖端位移下，分别测量了72, 100和136这几种不同长径比（ARs）的传感器的开路电压（(Voc）和短路电流（Isc），如图3（a）和（b）所示。可以看出，随着Ar的降低，VOC和ISC都得到了增强。AR值为72时比为136时相比，该装置的VOC和ISC分别提高了7.2和8。这一结果表明，TES在相同的尖端位移下，AR越小（短、厚），TES越敏感。然而，需要注意的是，VOC和ISC在72以下的小AR中是饱和的，如图3所示。这种饱和是因为PTFE膜变形达到弹性极限造成的，这使得在膜上的摩擦电荷对电场分布的影响不大。因此，TES不能感知物体引起的所有应变，会忽略物体的部分信息。然而，如果AR太大（长而薄），灵敏度会降低和削弱TES的感知能力。所以需要一个最佳的AR，以最大限度地提高感测能力，并有利于分辨率。在合适AR值（长度为11毫米和半径为120mu;m）的优化的装置设计基础上，进一步研究了TES触觉识别的基本性能。在周期性地横向偏转晶须时，首先测量了TES的重复性，如图4（a）所示。标准偏差为8 mV，表明TES具有良好的重复性。图4（b）给出了VOC与尖端位移d之间的关系。呈现VOC和d之间的线性关系，可以用下面的公式表达：

图3。传感器的电测量。不同AR的晶须下的（a）VOC和（b）ISC（AR＝72, 100，和136）。

在速度为1 mm s^minus;1、位移范围从0至4毫米，该试验的灵敏度高达0.45 V mm^minus;1。TES的高灵敏度是由于以前引入的独特的发电机制，它确保可以不使用电放大器来检测微弱信号。当TES用于触觉识别，描述分辨率是有必要的。图4（c）和（d）显示了TES横向分辨率和Z轴方向的分辨率。表面轮廓仪被用作参考传感器。如图4（c）所示，与TES和表面分析器相同高度的阶梯状物体（见输入形状）的信息如图所示。采用归一化最小均方适应滤波器处理测量数据来评估横向分辨率。计算值约为250mu;m（见图S1）。比较两个传感器的响应，可以看出，表面轮廓仪得到的每一个阶梯阶段的起始信号和终止信号都比TES得到的信号更清晰，这与两个传感器的横向分辨率是一致的。 此外，可以看出，TES可以很容易地检测到58mu;m的高度，并且获得了1.1V的高输出电压，这表明其Z方向分辨率极限优于58mu;m。 当TENG扫描印刷电路板时，给出的Z方向分辨率高达18mu;m。TES扭曲的反应也是由于其横向分辨率较低。 即使如此，TES的空间分辨率也比人类指尖高大约1mm [27]，并且可以用作高灵敏度的触觉传感器。 在这项研究中，传感器的空间分辨率不仅取决于材料的杨氏模量，晶须的形状，尺寸和TENG的机械/电转换能力，还取决于测量的扫描模式和测试设备的放大能力。

在卓越的基本性能下，演示了用于自功率模式的表面形貌成像的TES。 图5（a）和（b）首先展示了TES揭示检测物体表面特征的能力。图5（a）给出了传感器对平板丙烯酸板的电响应。 如插入物所示，当平坦的亚克力板从侧面开始接触晶须时，电输出增加。然后，当晶须在丙烯酸板的表面上滑动时，由于两个电极之间没有距离变化，所以观察到平坦且稳定的电信号。 最后，当晶须滑过水平面的边缘时，由于应力释放而检测到电信号。所获得的电信号与表面特征一致。 当传感器扫过五个直径相等且空间相等的丙烯酸板时，代表性的信号如图5（b）所示。 在插件中显示与平板类似的测量条件。 在图5（b）的平坦区域中出现了对应的五个相同空间和相同形状的振荡信号。在平板上显示与平板相似的测量条件，与图5（a）中的信号相比，电信号的发散与两个探测对象的差异很好地吻合，表明该传感器具有良好的表面分辨能力。因此，由试验得到的电信号，可以推断出该物体的表面特征，无论是平坦或坑洼。接下来，我们使用TES来确定对象的宽度（或长度）和相对高度。图5（c）显示了TES在四个阶梯上扫描时的信号，宽度分别为0.95、2.75、4.70和6.75毫米。可以看出，这些信号不仅反映了阶梯的平面特征，而且还提供了宽

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