齊魯工業大學劉溫霞和濟南大學劉宏:工程微結構衍生的柔性壓力傳感器分級變形在寬壓力范圍內誘導超靈敏壓阻特性

youyoucao 3年前 (2020-08-22) 3091瀏覽

第一作者：Gang Li、Duo Chen

通訊作者：Wenxia Liu、Hong Liu

通訊單位：齊魯工業大學生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室、濟南大學前沿交叉研究院

鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000154

研究亮點：

1. 本文設計了一種獨特的具有高性能的金字塔形墻柵微結構（PWGM）的柔性壓力傳感器。傳感器表面的圓頂金字塔和交叉加固墻的方形陣列形成了一個高度的分級微結構。

2. 面對面堆疊的PWGM柔性PDMS薄膜構成了一個壓阻式傳感器，在0–1.6和1.6–6 kPa的壓力范圍內，該裝置的靈敏度分別高達383 665.9和269 662.9 kPa^-1。在6.1–11 kPa的較高壓力范圍內，靈敏度為48 689.1 kPa^-1，即使在11–56 kPa的非常高的壓力范圍內，靈敏度也保持在1266.8 kPa^-1。

3. 該壓力傳感器具有優異的彎曲和扭轉應變檢測性能，具有機械耐久性，并在醫療保健的可穿戴生物傳感中具有潛在的應用。此外，制備并表征了2 × 2和4 × 4傳感器陣列，表明制造柔性觸覺傳感器的可能性。

研究背景

柔性壓力傳感器是最重要的柔性電子設備之一。基于柔性壓力傳感器的電子皮膚概念具有高靈敏度和足夠寬的傳感范圍，可檢測正常觸摸和物體操作產生的壓力，因此在人工智能、人機交互、健康監測和軟機器人等領域引起了廣泛關注。為了制造一種在寬壓力范圍內具有高靈敏度的柔性壓阻式壓力傳感器，并克服定制不規則微結構的困難，齊魯工業大學劉溫霞教授課題組和濟南大學劉宏教授課題組以PDMS為彈性體，設計了一種基于分級變形機制的金字塔壁網格微結構。用于柔性壓阻壓力傳感器的PWGM柔性PDMS薄膜通過4步成型法制備，使用專門設計的硅微陣列作為主模具。基于這種新型分級變形機制的PWGM PDMS薄膜壓力傳感器具有極高的靈敏度和快速響應速度，以及在非常寬的壓力范圍內的長期穩定性。此外，2 × 2和4 × 4微米分辨率的PWGM觸覺傳感器已經使PWGM柔性PDMS薄膜構建模塊構建。通過監測作者自身的脈搏和聲帶振動，探索了這種超靈敏壓力傳感器的可能應用，展示了其作為多功能電子皮膚的潛在用途。

圖文導讀

為了獲得具有獨特超高靈敏度的柔性壓阻壓力傳感器，我們設計了獨特的倒模制造過程。PWGM柔性PDMS薄膜在組裝成互鎖壓力傳感器之前經過金濺射以生成導電層。

圖1：柔性超靈敏壓力傳感器制造過程示意圖

為了定量評估裝置的傳感特性，測量了電流隨壓力的變化，獲得壓力傳感器的靈敏度變化、響應恢復時間以及穩點循環圖像。由于傳感器獨特的微結構，于金涂層PWGM柔性PDMS薄膜的壓力傳感器裝置在不同的壓力傳感器內具有超高的靈敏度(高達380，0 00 kPa^-1)、非常寬的工作壓力范圍(從0.25Pa到60kPa)、短的響應恢復時間(75ms)、突出的最小可檢測壓力(約0.25Pa)和長期循環穩定性(1000次循環后沒有明顯的靈敏度下降)。

圖2：柔性壓力傳感器的傳感特性

這項工作中的傳感器設備在很寬的壓力范圍內都具有超靈敏度，這是傳感材料獨特的金字塔壁網格微結構的結果。PWGM薄膜由均勻分布的圓頂方形棱錐體組成，棱錐體與平行于x軸和y軸的加強壁相連，不同微結構組件具有不同的特征高度等級。圓頂金字塔是平行于x軸的加固墻高度的兩倍，其本身比平行于y軸的加固墻高得多。這種工程化的分層柔性PDMS結構賦予PWGW傳感器設備在寬壓力范圍內的超高靈敏度和良好的可重復性。