信号干扰小的柔性光电多模态接近/压力/温度传感器

研究背景

人类通过感觉受体感知多种环境刺激，以确保与复杂环境进行安全有效的交互。模仿人类体感系统的柔性电子皮肤(e-skin)在卓越的传感器性能、先进的制造方法、自供电平台等方面取得了长足的进步。在人机交互与协作、智能机器人、智能假肢和增强/虚拟现实(AR/VR)等应用领域，这些电子皮肤可极大地促进交互系统的互动性和安全性，而关键在于开发灵活的多模态传感器。例如，双模压力/温度传感器发挥了人体皮肤触觉和温度感受器的作用，使电子皮肤能够感受到疼痛，从而避免受伤。近距离传感器也很吸引人，因为它们能有效减少人或物体不必要的碰撞风险，这对人机协作尤为重要。因此，同时准确感知近距离/压力/温度对确保交互系统的效率和安全性至关重要，有助于实现人、机器和环境之间的多模态通信。

将各种传感元件集成到一个系统中是一种有效的技术，但存在结构笨重和制造复杂的问题。最近，探索可检测多种刺激的单个多模态传感器因其结构微型、制造简单和可在同一位置检测各种信息而备受关注。然而，信号干扰阻碍了多模态传感器识别各种刺激，这就需要复杂的算法和硬件来解耦。近年来，人们已做出巨大努力，通过结合解耦传感机制，如压阻、电容、摩擦静电、热电和热阻，来开发无交叉敏感性的多模态传感器。然而，基于解耦机制的多模态传感器主要侧重于压力/温度或接近/压力等双参数。能够在没有信号干扰的情况下检测和区分接近度/压力/温度的传感器仍然具有挑战性，这可能是因为基于电机制的多模态传感器会对三种刺激产生类似且相互依存的响应信号如电阻、电容、电压或电流的变化，从而导致信号干扰，限制了实际应用。

研究成果

多模态触觉传感器是智能人机交互与协作的重要组成部分。在单个传感器上同时检测接近压力和温度可大大提高交互系统的安全性、交互性和紧凑性。然而，严重的信号干扰和复杂的解耦算法阻碍了实际应用。在此，浙江大学张雷教授团队报告了一种灵活的光电多模态传感器，它将光波导和数字间电极集成到一个紧凑的纤维传感器中，能够检测和解耦接近/压力/温度。通过结合光学和电子学的异质传感机制，将接近度编码为电容，将压力编码为光强，将温度编码为电阻，实现了微弱的信号干扰。该传感器的感应距离达 225 mm，近距离检测响应迅速，压力灵敏度为 0.42 N-1温度灵敏度为 7%/℃。作为概念验证，装有该传感器的玩偶可以准确分辨和检测各种刺激，从而实现与用户的安全和沉浸式互动。这项工作为自解耦多模态传感器和相关的人机/环境交互应用开辟了前景广阔的道路。相关研究以“Flexible optoelectronic multimodal proximity/pressure/temperature sensors with low signal interference”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. (a) Schematic diagram showing structure of the flexible optoelectronic multimodal sensor that is composed of a light waveguide wrapped by flexible interdigital electrodes (IDEs). (b) Sensing of proximity, pressure and temperature based on fringe field effect of IDEs, bending loss of light waveguide, and thermo-resistive effect of PEDOT:PSS, respectively. (c) Analysis of multiple signal interference. (d) Schematic demonstration of the multimodal sensors for multifunctional, safe and immersive human-machine interactions.

Figure 2. Proximity sensing of the optoelectronic multimodal sensors.

Figure 3. Pressure sensing performance of the optoelectronic multimodal sensors.

Figure 4. Temperature sensing of the optoelectronic multimodal sensors.

Figure 5. (a) Continuous recording of light intensity, capacitance and resistance signals when multiple stimuli were simultaneously applied on the optoelectronic multimodal sensor. (b) Schematic illustration and photographs of the multimodal human-machine interactions by the optoelectronic multimodal sensor. (c) The relative change rate of intensity, capacitance and resistance during the above interactions with multiple stimuli existing simultaneously.

总结与展望

在这项工作中，作者通过集成自解耦异质传感机制，包括 DE 的边缘场效应、光波导的弯曲损耗和 PEDOT:PSS的热阻效应，展示了一种信号干扰可忽略不计的柔性光电多模态接近压力/温度传感器。在近距离传感方面，该传感器的探测距离达 225 mm，响应速度快压力灵敏度为 0.42 N-1，热阻系数为 7%/℃。该光电传感器几乎没有信号交叉敏感度，可同时独立感应多模态刺激。演示了多模态沉浸式人机交互的应用，其中虚拟玩偶可根据现实中的刺激感知做出相应的反应。这项工作促进了自解耦多模态传感器的发展，为安全的人机交互和VR相关应用铺平了道路。

文献链接

Flexible optoelectronic multimodal proximity/pressure/temperature sensors with low signal interference

转自：“i学术i科研”微信公众号

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