Bio‐Inspired Hybrid Dielectric for Capacitive and Triboelectric Tactile Sensors with High Sensitivity and Ultrawide Linearity Range

材料科学 线性 电介质 电容感应 电容 摩擦电效应 灵敏度(控制系统) 介电常数 触觉传感器 光电子学 电子工程 电气工程 计算机科学 电极 复合材料 化学 物理化学 人工智能 机器人 工程类
作者
Bing Ji,Qian Zhou,Bin Hu,Junwen Zhong,Jun Zhou,Bingpu Zhou
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (27) 被引量:138
标识
DOI:10.1002/adma.202100859
摘要

The trade-off between sensitivity and linearity is critical for preserving the high pressure-resolution over a broad range and simplifying the signal processing/conversion of flexible tactile sensors. Conventional dielectrics suffer from the difficulty of quantitatively controlling the interacted mechanical and dielectric properties, thus causing the restricted sensitivity and linearity of capacitive sensors. Herein, inspired by human skin, a novel hybrid dielectric composed of a low-permittivity (low-k) micro-cilia array, a high-permittivity (high-k) rough surface, and micro-dome array is developed. The pressure-induced series-parallel conversion between the low-k and high-k components of the hybrid dielectric enables the linear effective dielectric constant and controllable initial/resultant capacitance. The gradient compressibility of the hybrid dielectric enables the linear behavior of elastic modulus with pressures, which derives the capacitance variation determined by the effective dielectric constant. Therefore, an ultrawide linearity range up to 1000 kPa and a high sensitivity of 0.314 kPa-1 are simultaneously achieved by the optimized hybrid dielectric. The design is also applicable for triboelectric tactile sensors, which realizes the similar linear behavior of output voltage and enhanced sensitivity. With the high pressure-resolution across a broad range, potential applications such as healthcare monitoring in diverse scenarios and control command conversion via a single sensor are demonstrated.
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