Advanced Materials:柔性压力传感技术的前世今生——离电传感技术,从液滴传感器到人造皮肤

通过人造皮肤对外界刺激的响应,柔性触觉传感技术在过去的十年间发展迅速。这当中,柔性压力感知作为触觉传感最重要的一部分,更是得到广泛研究,并已经在工业、医疗和消费电子领域中得到了应用。传统上的压力感知主要基于光学和电学两种机理,后者由于其更高的器件柔韧性、易集成和结构简单等优势,获得更广泛的关注。离电(Iontronic)则是近年来发展出的一种全新的传感机理,它通过测定在压力下发生变化的离子-电子双电层的超级电容值大小,从而记录压力数值。相比于压阻、压容、压电和摩擦电等其他传感机理,离电传感被认为具有极高的压力响应灵敏度、信噪比、抗干扰性、压力分辨率等,此外还具有独特的高透明性、动态响应范围宽等特性。

今年是国际上首次提出离电触觉传感原理的第十个年头,也是继压阻式、电容式、应变片式之后、第四种真柔性、真触觉、超轻薄、高灵敏的离电压力传感技术诞生的十周年。

近日,离电触觉传感技术的发明人、美国加州大学戴维斯分校生物医学工程系的潘挺睿教授联合中国科学院深圳先进技术研究院的常煜副研究员,南方科技大学的王柳博士,郭传飞副教授等在国际顶级材料期刊Advanced Materials上发表“First Decade of Iontronic Sensing: From Droplet Sensors to Flexible Electronics”特邀综述文章(DOI:10.1002/adma.202003464)。此文章总结了离电触觉传感技术的发展,并从压力响应机理、离电功能材料、压力响应结构和离电技术应用四个方面对离电机理进行了深入的分析和介绍,并对离电机理未来的发展提出远景与方向。

何为离电触觉传感技术?此技术具备哪些新特性?又将引发哪些产品创新?又将会推动哪些产业发展?今天将为大家揭开离电压力传感技术的神秘面纱。

第一部分:探秘离电传感技术 — 一滴水滴引发的技术革新

离电传感技术的诞生

离电传感技术的发明是从潘挺睿教授观察到荷叶上随着微风吹动而随之震动的水滴开始。出于学术的敏感,潘教授立刻意识到这是一个超疏水表面。液-固界面有着机械不稳定性,微小的扰动都可以带来极大的不稳定。假如通过这个不稳定可以判断出力的大小,一定可以得到一个灵敏度超高的力传感器。

经过潘教授和团队的同事们不断反复的实验和尝试,他们惊喜的发现这个柔弹性传感界面不仅表现出超级电容的特性,其电容大小与施加在这个结构简单的液滴传感器的压力成比例的重大突破。更令人兴奋的是,这个电容值的大小竟远高于传统平行板电容器的电容值大小。一般环境的电容噪音一般是数十pF;传统平行板电容器的测量范围也仅有数十pF,且极易受寄生电容和环境噪声的影响。然而,这一液滴传感器的电容值竟高达μF级别(1 μF= 106 pF)!

最终,潘教授和同事们确认这种超高的电容值是源于在传导电子的电极和传导离子的电解液间,形成了一层离子电子相互作用的EDL双电层电容,并将这种全新的压力传感原理命名为离电传感(Iontronic Sensing)。离电传感技术由此诞生。

图1. 离电传感机理的压力响应机理、离电功能材料、压力响应结构和技术应用四个方面及其主要分类。

探究离电传感机理和压力响应机理

传统的平行板电容器的电容值往往受平行板正对面积、距离、介电常数几个共同因素的影响。离电双电层电容有所不同,它的电容值的大小和界面间的接触面积大小最为相关。压力大小不同,离电界面的接触程度不同,从而影响双电层电容值的大小。

离电触觉传感器的压力响应分为三种模式:结构弯曲模式、弹性变形模式和混合模式。结构弯曲模式指在压力下,电极层或者功能层发生了弯曲变形,使得离电界面接触面积发生变化;弹性变形模式指在压力下,电极或离子功能材料发生了弹性变形;混合模式指前面两种模式同时存在于一个传感结构当中。此模式可以增加传感器的灵敏度。

针对三种传感原理,潘教授及团队研究出不同的压力响应理论公式,为传感器的性能优化提供了重要理论依据。针对三种离电压力响应机理,潘教授及团队还从理论公式出发,研究传感器的结构设计对于传感器性能的影响,尤其是灵敏度。比如结构弯曲模式中,电极层的厚度、空腔的高度和宽度等结构参数如何影响传感器的压力响应。通过调控不同原理的理论公式中的工程参数,可以有方向的控制传感器性能,如灵敏度、量程。理论上的突破使离电传感技术的真正产品化成为可能。

无处不在的离子功能材料

离电传感器的构成一般为电子可移动的电极和离子可移动的功能材料层。离子功能材料主要分为三类:液态离子材料、固态离子材料以及天然离子材料。其中,液态离子材料可分为水系电解液和有机电解液两种。由于是液态形式,离子移动较快,所以具有高灵敏的特点。但因为是液态,所以可能存在泄漏和挥发的危险。而固态离子材料不存在液体泄露和挥发的问题。固态离子材料可分为离子凝胶、聚电解质和离子复合材料。离子复合材料主要指不具有离子性的基材如布、纸,在经过简单改造后,可以成为离子材料。比如,离子纤维布、离子纸等。离子复合材料的存在大大扩展了离电触觉传感器的形式和特征。第三类天然离子材料指自然界、生活中不需改造天然就具有离子性的材料,比如皮肤。此种材料是离电原理优势所在。利用这些天然离子材料,可以将传感结构直接融入其中,大大简化结构。

值得注意的是潘教授发明的离电传感技术可以不受材料限制,直接应用于各种接触材料,特别是可以在大量天然材料进行使用。因为功能材料层的选择为离子材料,而自然界中离子材料广泛存在,使得离电传感可以以极其简单的结构融入到这些材料之中;同时对于一些非离子材料,仅需要简单的离子化改造,就可以使得生活中的多种物体获得触觉传感功能,令人兴奋的是,这种离子化改造的方法是具有普适性的。选择合适的离电材料还可以使传感器获得极高的透明性,这也是离电传感器和其他原理传感器相比极大优势所在。因此,离电传感技术具备真柔性、超轻薄的、高透光的物理特性和应用广泛的特性,电子皮肤超越人类皮肤的梦想将不再只是科幻故事片中的存在。

第二部分:未来已来 — 离电触觉传感技术引领产品和应用创新

综上所述,离电传感因其本身技术原理有着其他触觉及压力感知技术所不能望其项背的技术优势。离电传感技术的柔性特性可以颠覆性的改变传统信息器件、系统的刚性物理形态,实现信息与人、物体、环境的高效共融。实现信息获取、处理、传输、显示以及能源的柔性化,更好地实现万物互联。离电传感技术所具备的真柔性、超轻薄的、高透光的物理特性和高信噪比、环境高抗干扰性等特性。因其独特天然的技术特性,离电传感原理迅速在柔性压力感知领域占据一席之地,且在环境交互、健康监测、动作识别等应用领域引领了产品创新。

第三部分:永远在路上 — 离电传感技术赋能触觉感知技术,促进产业飞速发展

离电传感技术应用的未来聚焦在离电机理本身的技术特性上。离电传感技术真正赋能触觉感知技术,促进工业、健康、消费电子等行业的突破性飞速发展。

从技术本身来说,高信噪比离电传感信号处理、离电传感温湿度稳定性研究、可植入离电传感器件的研发等也将是离电传感技术未来的发力点。技术的不断提升和完善,将增强离电技术本身的竞争力,最终造福和助力行业发展和产品创新。