基于三维仿生分层结构的柔性压力传感器

受人类皮肤的启发,柔性压力传感器通过将压力刺激转换成电子信号来模拟人类皮肤的感知行为,而得到广泛的关注。到目前为止,文献中已经报道了各种不同类型的高灵敏度压力传感器。如通过引入具有自由体积的中空三维结构,以提高压力传感器灵敏度和最低检测极限。或者是引入三维微纳结构,如金字塔、圆柱体、半球等。通过减小承受应力面积,增强传感器的应变量来提高传感器灵敏度。此外,还有一些其他类型的压力传感器,如导电织物、导电纤维、和蚕丝纳米纤维等也用于制备高灵敏度压力传感器。然而,目前报道的高灵敏度传感器的传感范围通常比较窄。而人体皮肤需要能够检测从温柔的触摸(<10 kPa)到疼痛按压(高达90 kPa)的压力范围。因此,压力传感器必须具有高灵敏度外,还需要具备较宽的感应范围以覆盖人体皮肤的整个感知范围。

图1仿生分层结构的压力传感器。(a)皮肤示意图。(b)传感器制造示意图。(c)从砂纸转印的Ecoflex薄膜光学显微镜图像。(d-f)底部电极层SEM图像:(d)纯Ecoflex薄膜,(e)导电区域(微通道区域)和非导电区域(间隔区域)界面,(f)沉积在沟道底部的AgNW。(g)传感器基本工作原理示意图。(h-k)固定在不同表面的传感器照片:(h)手腕,(i)玻璃球,(j)蒲公英花,以及(k)施加30%应变下的传感器。

针对以上问题,近期中山大学刘川教授的研究团队提出了一种具有仿生分层结构的三维压力传感器。传感器由微沟道结构的AgNW电极(皮沟)和无规褶皱结构的PEDOT:PSS传感层(皮嵴)组装而成。通过微沟道结构使电极与传感层之间形成中空结构,以提高器件灵敏度,而传感层的褶皱结构则能产生高压形变响应,最终该压力传感器具有高压灵敏度(6.13 kPa-1)、宽检测范围(20 Pa~90 kPa)、低工作电压(0.1 V)、稳定性好的优点。传感器能够用于如检测脉搏、小物体接触的微小压力到高压挤压,其检测范围几乎覆盖了人体皮肤的整个传感范围。并且传感器超薄、超轻、具有优异的可拉伸特性,能够与人体皮肤完美贴合,适应人体活动时发生的各种形变,在受到拉伸时正常工作。并通过将多个压力传感器单元集成以制备柔性压力传感器阵列,实现对压力的空间分布和大小的精确映射。基于这些特性,该仿生分层结构的柔性压力传感器显示出在未来柔性电子学领域巨大的应用潜力。

相关工作以“High-Performance Pressure Sensors Based on 3D Microstructure Fabricated by a Facile Transfer Technology”为题发表在Advanced Materials Technologies上(DOI: 10.1002/admt.201800640)。中山大学刘川教授、吴进副教授、徐慧华研究员为共同通讯作者,博士研究生韩宋佳为第一作者。

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