Self-powered triboelectric tactile sensors are growing interest due to increasing demand for various sensors for human-machine interaction and growing global energy concerns. However, signals of triboelectric sensors are easily affected by environment and user motion. It is because the surface charge density depends on those factors. Here, we propose a triboelectric self-powered pressure sensor with a unique spiking calibration system to compensate for change in surface charge density. The sensor generates two signals: open-circuit voltage and spiking calibration voltage. Based on switchable operation, spikes are generated at certain geometrical states. By computing the change in VOC between two consecutive spiked moments, current surface charge density can be calculated in real-time. The magnitudes of spikes were not affected by the speed of motion from 0.1mm/s to 5mm/s. The sensor signal was successfully calibrated in various humidity conditions from relative humidity of 20% to 80% at 22°C, and before and after deliberate charging. Furthermore, the sensor was integrated to a robotic gripper to harvest crops in their optimal environmental conditions to demonstrate its usage in smart farms.
에너지 문제가 대두되고 다양한 인간 기계 상호작용을 위해 자가발전 마찰전기 압력 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 마찰전기 신호는 주변 환경과 사용자의 움직임에 영향을 받아 신뢰성이 낮은 단점이 있다. 이는 작동원리의 주원인인 표면 전하 밀도가 변화하기 때문이다. 본 학위 논문에서는 새로운 스파이크 보정 신호를 가지는 마찰전기 자가발전 압력 센서를 개발하였다. 이 센서는 개회로 전압과 스파이크 형태의 보정 신호를 발생시킨다. 스위치 작동 방법을 활용하여 특정 기하학적 조건을 만족하면 스파이크 신호가 생성된다. 이렇게 생성된 두 스파이크 신호 사이의 개회로 전압차를 이용하여 표면 전하 밀도를 실시간으로 계산할 수 있다. 스파이크의 크기는 움직임이 0.1mm/s에서 5mm/s까지 바뀔 때 변하지 않는 것을 확인하였다. 상온에서 상대습도가 20%에서 80%까지 바뀌고, 전하 밀도가 충전되거나 방전되어도 센서 값이 성공적으로 보정되는 것을 확인하였다. 마지막으로 로봇 그리퍼에 연결되어 다양한 환경에서 자라는 작물을 수확하는 시연을 통해 스마트팜에서의 활용 가능성을 보여주었다.
