Pressure and Temperature Sensor with ZnO Nanowire Array
ZnO 나노와이어를 이용한 압력과 온도 센서 개발
- 주제(키워드) psychological tactile sensor , pain feeling , tactile sensing , ZnO nanowire array , pressure and temperature , 촉각센서 , ZnO 나노와이어 , 온도&압력 센서
- 발행기관 DGIST
- 논문지도교수 장재은
- 논문지도교수 Jae Eun Jang
- 공동논문지도교수 유성운
- 공동논문지도교수 Seong-Woon Yu
- 발행년도 2016
- 학위수여년월 2016. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 대학원 정보통신융합공학전공
- 원문페이지 49
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/dgist/000002229009
- 본문언어 영어
- 저작권 대구경북과학기술원 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Tactile sensors have recently attracted tremendous interest and the sensing mechanisms have been developed by mimicking the human touch system. However, most previous works have mostly focused on improving the sensitivity of sensors to physical parameters including pressure, strain or temperature. Also, achieving grip control of fragile objects such as eggs is main consideration in robotic hands development. For human beings, psychological feelings including softness, roughness and pain are important factors for interacting with others and the objects. If the tactile sensors which give psychological feelings are applied to various applications such as mobile displays, android robots and prosthetics, they have ability to sense psychological feelings as like humans. Among several emotions, ‘pain’ is the most important feeling because ‘pain’ is indication of damage and humans have self-protection ability by feeling ‘pain’ from external environment. Ultimately, robots with psychological tactile sensor will become as intelligent as human beings while robots perform the duties sensing danger and avoid it at the same time. In this way, realizing psychological tactile sensors is strongly required, however, mimicking psychological feelings is unprecedented until now. In order to perceive ‘pain’ feeling from harsh environments, tactile sensors need to detect pressure and temperature simultaneously. Here, we have demonstrated Zinc oxide nanowire based tactile sensors which can detect pressure and temperature simultaneously. Array type tactile sensors can verify the input objects which may be sharp, blunt, and hot or cool by simple signal processing. This capability means that tactile sensor can convey psychological feelings from the physical parameters. As a result, this tactile sensor can be used to protect android robot hand or mobile phone touch display from external risky environments.
more초록/요약
최근 사람의 촉각 시스템을 모방하는 촉각 센서 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 이러한 촉각 센서들은 단순히 압력이나 압력의 분포만을 인지하거나 압력이나 온도 측정의 민감도를 향상하는 방향으로 연구되고 있고, 특히 로봇공학에서는 로봇 손의 그립 제어를 통한 달걀과 같은 깨지기 쉬운 물체를 잡는 것에 초점을 맞추어 촉각센서가 개발되고 있다. 사람에게는 부드러움, 거침, 고통과 같은 정신 감각적인 느낌이 다른 사람과 물체와 교감하는 데 중요한 요소 중 하나이다. 만약 촉각센서가 정신 감각적인 느낌을 제공할 수 있다면, 이러한 촉각 센서가 적용된 로봇 손, 의수 또는 디스플레이는 사람과 같이 정신 감각적인 느낌을 제공하거나 느낄 수 있게 되어 가혹한 환경으로부터의 보호, 사람의 감정을 제공하는 디바이스의 개발 등 그 응용 분야가 무궁무진하다. 정신 감각적인 느낌 중에서 고통은 가장 중요한 요소로서 사람이 외부 환경으로부터 위험을 감지하고 자기방어를 가능하게 한다. 궁극적으로, 사람과 같이 지능적인 로봇은 위험을 감지함과 동시에 그 상황에서 탈출을 동시에 수행하는 것이 가능하다. 이러한 관점에서 고통을 느끼는 촉각 센서의 개발은 필수적이나 현재까지 진행된 연구가 부족하다. 고통을 유발하는 물리적인 인자는 압력과 온도라는 점에 착안하여 본 연구에서는 ZnO 나노와이어의 특성을 이용하였다. ZnO 나노와이어의 압전, 초전 효과를 이용하여 압력과 온도를 센싱할 수 있으며 자가발전, 멀티터치가 가능한 촉각센서의 개발이 가능하다. 또한, 플렉서블 디바이스로 구현하기 위해서는 저온 공정이 필수적인데 ZnO 나노와이어의 수열 합성을 통한 센서 제작은 저온공정이 보장되는 장점이 있다. 본 연구에서는 사람 피부의 변형을 모방하는 센서를 구현하기 위해 3 × 3 어레이 타입의 센서를 구현하여 온도와 압력에 대한 신호를 구별할 수 있는 신호처리 방법을 고안하였다. 간단한 신호처리 기법을 통해 온도와 압력에 대한 신호를 구별하여 고통을 인지하는 센서를 구현할 수 있으며 압력, 온도, 압력과 온도의 동시 신호 등 여러 가지 입력에 대한 신호를 구별하는 것이 가능하다. 본 연구는 기존의 단순한 물리적인 값을 측정하는 온도와 압력 센서와 달리 전기 기계적 방법을 통한 정신 감각적 느낌 중 하나인 고통을 느끼는 센서를 직관적이고 단순한 디자인을 통해 구현하였다는 점에서 그 의의를 가진다.
more목차
Ⅰ. INTRODUCTION 1
1.1 Overview 1
1.2 Motivation 2
1.3 Thesis Overview 3
Ⅱ. BACKGROUNDS 4
2.1 Human Tactile Sensing System 4
2.2 Hints for the Design of Tactile Sensing System 5
2.3 Previous Works 6
2.3.1 Robotic Tactile Sensing System 6
2.3.1.1 Resistive Sensors 6
2.3.1.2 Capacitive Sensors 7
2.3.1.3 Optical Sensors 7
2.3.1.4 Ultrasonic based Sensors 8
2.3.1.5 Piezoelectric Sensors 8
2.3.1.6 Magnetic Sensors 9
2.3.2 Energy Harvesting Applications 9
2.4 Piezo-pyro Electric Nanowire 10
2.4.1 Principles of Piezoelectricity 10
2.4.2 Principles of Pyroelectricity 12
2.4.3 Zinc Oxide (ZnO) Nanowire 14
2.4.4 Thermoelectric Effects 18
Ⅲ. EXPERIMENTAL DETAILS 19
3.1 Structure and Fabrication of Tactile Sensor 19
3.2 Experimental Setup 22
IV. RESULTS AND DISCUSSIONS 23
4.1 ZnO Nanowire Characteristics 23
4.2 Pressure and Temperature Sensing 31
4.3 Analysis of Various Tactile Stimulus Scenarios 33
4.4 Signal Processing 36
V. CONCLUSION 44