Soft tactile sensor의 원리: Capacitor type

Capacitor란 우리말로 축전기로서, 전하를 축적하고 있을 수 있는 형태의 전기적 소자를 의미한다. 대표적인 형태로서 두 개의 평행한 평판이다. 처음 전기적 퍼텐셜이 두 평판에 가해지면 두 평판으로 전자가 이동을 한다. 이후 두 평판 중 한 평판에 전자가 쌓이고 다른 한 평판은 상대적으로 전자가 적어 양전하로 대전된 상태로 간주된다. 이 때 양전하와 전자의 인력으로 서로를 고정시키게 된다.

위의 그림은 일반적인 capacitor를 나타낸 그림이다. capacitor의 성능을 나타내는 척도는 통상 capacitance, C로 나타내게 되며, 변수는 ε_r, A, D가 있다. 여기서 ε_0는 진공의 유전율로 8.855E-12 F/m이며, ε_r은 물질의 유전율, A는 평판의 넓이, D는 평판의 거리이다.

1. Capacitor type tactile sensor의 측정 원리

만약 capacitor 형태의 물체에 수직 힘이 가해질 경우를 생각하자. (그림의 상단부) 이 때 물체가 압축이 되면서, 두 판 사이의 거리가 감소하게 된다. 따라서 capacitance가 증가하게 된다.

이와 반대로 만약 수평적인 힘이 가해질 경우 (그림 하단부) 판이 미끌리면서 판이 마주하는 면적이 줄어들게 된다. 따라서 capacitance가 감소하게 된다.

따라서 변화하는 capacitance의 값를 측정한 뒤, 가해진 힘과의 관계를 밝혀 tactile sensor로 사용할 수 있다.

2. Capacitive type sensor 성능의 trade-off 사항

Capacitive type의 가장 큰 장점은 구조 자체가 단순하기 때문에 소형화하기 용이하다는 점이다. 따라서 capacitor array를 방대하게 깔아 tactile sensor array를 쉽게 만들 수 있다. 또한 작을 수록 power consumption이 작아지는 장점이 있다.

하지만 capacitor의 크기가 감소함에 따라(A가 감소함에 따라) capacitance 값 자체가 감소하게 된다. Sensor에 가해지는 압력을 계산하기 위해서는 capacitance의 변화를 관찰해야하나, capacitance의 값이 작아질 수록 관측기기 성능에 의해 측정하기가 힘들어진다. 또한 외부에 의한 간섭이 더욱 dominant 해지게 된다. 따라서 센서의 signal-to-noise ratio가 감소하게 되어 센서 특성이 나빠지게 된다.

따라서, sensor의 소형화와 sensor 성능 사이에는 trade-off 관계가 있다.

3. Capacitor 내부의 dielectric 물질

Capacitance의 크기는 두 평판 사이의 유전물질(ε_r) 에 의해서도 결정이 된다. Capacitor가 쉽게 눌리고 변형이 생겨 capacitance의 변화를 유도하기 위해서는 elastomeric한 유전물질을 사용하는 게 좋다.

하지만, 일반적인 경우, elastomeric polymer를 유전물질로 사용하더라도, 압축 가능한 정도가 매우 크지 않고 viscoelastic한 영향으로 response time에 영향을 주는 경우가 많다.

따라서 polymer 내부에 공기 구멍을 내어 변형이 잘 일어나도록 하는 연구가 많이 진행되고 있다. 하지만, 공기의 유전율(ε_r)이 매우 낮아 capacitance의 감소를 유발하고 SNR이 감소하는 문제점이 있다.

4. Capacitive type tactile sensor

이와 같은 capacitor를 이용하여 tactile sensor로 많이 응용되어 있다. 단순하게 평판의 형태가 아니라 굴곡이 지거나, 다양한 형태로 capacitor를 만들어 sensitivity를 높이려는 노력이 많이 이루어 지고 있다.

위의 그림에서 처럼, capacitor의 형태를 피라미드 array나 trench 형으로 만드는 경우도 있으며, 구부러질 수 있는 polymer 기판 위에 capacitor array를 만드는 경우도 있다. 현재의 연구 단계에서는 파리가 센서에 올라간 것 또한 충분히 감지해낼 수 있을 만큼 sensitive한 tactile sensor를 구현할 수 있는 정도이다.


출처
[1]Hammock M et al., 2013, “25th anniversary article: The evolution of electronic skin(e-skin): a brief history design considerations, and recent progress”, Adv. Mater., 25, 5997-6038
[2] S. Mannsfeld et al., 2010, "Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers", Nat. Mater., 9