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杭州師范大學:基于麥芒仿生多級結(jié)構(gòu)的高靈敏與寬量程離-電式壓力傳感器

更新時間:2024-05-31點擊次數(shù):274

電容型柔性壓力傳感器在智能機器人、可穿戴電子產(chǎn)品、人機交互等領域有著廣泛的應用。傳統(tǒng)的電容型壓力傳感器由于受介電層壓縮性和單位面積電容(UAC)的限制,其靈敏度和檢測精度均較低。近年來,由離子凝膠基介電層和柔性電極組成的電容型離-電式壓力傳感器因其具有高靈敏度、高檢測精度受到廣泛關注?;陔x-電式壓力傳感器的雙電層(EDL)原理,傳感器輸出電容信號的變化主要取決于其內(nèi)部介電層/電極界面的演變。因此,對介電層/電極層界面進行有效設計是獲得高性能離-電式壓力傳感器的關鍵。除了優(yōu)異的傳感性能外,光學透明度也是傳感器在電子皮膚、可穿戴電子產(chǎn)品等應用中所必需的。目前,壓力傳感器如何同時具備高靈敏度、寬響應量程和良好的透明度仍然是一個挑戰(zhàn)。




基于此,杭州師范大學材料與化學化工學院朱雨田教授團隊基于麥芒仿生多級結(jié)構(gòu)設計開發(fā)了一種兼具高靈敏和寬量程的離-電式壓力傳感器。該麥芒分層結(jié)構(gòu)是利用摩方精密 microArch® S240(精度:10 μm)3D打印設備加工模具后經(jīng)聚乙烯醇(PVA)/磷酸(H3PO4)翻模制備而成。




相關研究成果以“Highly sensitive and wide-range iontronic pressure sensors with a wheat awn-like hierarchical structure"為題發(fā)表在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。杭州師范大學材料與化學化工學院研究生王靜為第一作者,杭州師范大學材料與化學化工學院朱雨田教授、陳建聞副教授為共同通訊作者。



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基于麥芒仿生結(jié)構(gòu)的離-電式柔性壓力傳感器是由兩個柔性透明電極層(銀納米線(AgNWs)/聚氨酯(TPU)/離子液體(IL))和一個具有麥芒仿生陣列結(jié)構(gòu)的PVA/H3PO4介電層以“三明治"結(jié)構(gòu)組裝形成(圖1)。EDL在PVA/H3PO4介電層與AgNWs/TPU/IL透明電極層的界面處形成。在施加外力之前,對于頂部電容器,界面接觸只發(fā)生在PVA/H3PO4陣列頂部與電極層之間(圖1d1)。此時,只有少量離子被吸引到電極表面,因此,EDL電容值較低。施加外力后,PVA/H3PO4介電層中的金字塔向同一方向傾斜,導致頂部電極與介電層的界面接觸增多(圖1d2)。同時,AgNWs的導電網(wǎng)絡變得更加致密,底部電極與介電層之間的界面接觸更加緊密。因此,傳感器的電容值隨著介電層與電極界面接觸面積的增加而顯著增大。當施加在傳感器上的壓力進一步增加時,PVA/H3PO4金字塔繼續(xù)傾斜,從而導致傳感器的電容持續(xù)增加(圖1d3)。因此,基于麥芒仿生結(jié)構(gòu)的PVA/H3PO4介電層的特別結(jié)構(gòu)演變將賦予該離-電式柔性壓力傳感器高靈敏度和寬檢測量程。

 


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圖1. (a)透明電極的制備,(b)具有麥芒仿生結(jié)構(gòu)介電層的制備,(c)所制備傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,(d)壓力傳感器響應機制示意圖。




電極和介電層的微觀形貌對離-電式柔性壓力傳感器的壓力傳感性能具有重要影響。從電極和介電層的SEM圖像可以看出,PVA/H3PO4介電層表面存在數(shù)個向同一方向傾斜的金字塔狀陣列結(jié)構(gòu),與麥芒的結(jié)構(gòu)相似。這些金字塔朝同一方向傾斜10 °,金字塔狀結(jié)構(gòu)寬為300 mm、高為800 mm(圖2a1, a2, b1, b2)。從電極的微觀掃描圖可以看到大部分AgNWs均勻嵌入TPU基體中,少數(shù)AgNWs位于TPU基體表面(圖2c1, c2)。此外,AgNWs的直徑和長度分別約為110 nm 和20 mm,所制備的AgNWs具有大的長徑比,這有利于AgNWs之間相互搭接形成導電網(wǎng)絡。


 
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圖2. (a1,a2)PVA/H3PO4介電層的俯視SEM圖像,(b1,b2)PVA/H3PO4介電層截面SEM圖像,(c1)AgNWs的SEM圖像,(c2)AgNWs/TPU/IL電極的SEM圖像,(d-f)麥芒狀PVA/H3PO4介電層加載前后形貌演變的SEM圖。




將不同H3PO4含量的PVA/H3PO4介電層定義為PVA/H3PO4(x),其中x表示H3PO4與PVA的質(zhì)量比。隨后,對比了不同PVA/H3PO4(x)介電層的離-電式壓力傳感器在外加壓力下的相對電容變化(ΔC/C0,ΔC=C-C0,C為實時電容值,C0為初始電容值)。當H3PO4與PVA的比值從0.4增加到1.2時,傳感器在1 N負載下的ΔC/C0值從18.72增加到81.76 (圖3a-c)。這是因為當H3PO4與PVA的比例增加時,介電層模量的降低會導致EDL界面的變形和接觸面積增大。然而,當介電層中H3PO4含量進一步增加時,傳感器的C0顯著增加,導致ΔC降低。因此,傳感器的ΔC/C0值顯著降低(圖3d)。


 
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圖3. 基于PVA/H3PO4(0.4)(a)、PVA/H3PO4(0.8)(b)、PVA/H3PO4(1.2)(c)和PVA/H3PO4(1.6)(d)的傳感器在0.1 N、0.5 N和1.0 N負載下的相對電容變化。




從壓縮過程中傳感器的ΔC/C0隨壓力變化的演變曲線(圖4a)可知,由于介電層/電極界面接觸面積的連續(xù)變化,該壓力傳感器的有效檢測量程可達238 kPa,其靈敏度在低壓下高達47.65 kPa-1。除了壓力檢測量程和壓力靈敏度外,在循環(huán)負載下壓力響應信號的穩(wěn)定性在應用中也至關重要。該傳感器在小壓力(100 Pa)和較大壓力(150 kPa)刺激下的壓縮/釋放循環(huán)測試中均表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性(圖4b, c)。在0.025 N-0.1 N-0.025 N范圍內(nèi)壓縮/釋放循環(huán)測試過程中,該傳感器能夠精確地識別壓力變化并輸出相應的電容信號,而且其壓力響應信號的可重復性高(圖4d)。此外,本工作還研究了不同加載速率(3 mm/min、5 mm/min、7 mm/min、9 mm/min)下,傳感器在0.1 N壓力下的電容響應信號(圖4e)。顯然,電容信號與加載速率無關,從而進一步保證了傳感器的可靠性。該傳感器的響應時間和恢復時間分別為13 ms 和12 ms (圖4f),明顯低于人體皮膚的響應/恢復時間(幾十到幾百毫秒)。在超6000 次的循環(huán)加載測試中,該傳感器電容信號的振幅沒有明顯下降(圖4g),說明該離-電式壓力傳感器具有出色的重復性、穩(wěn)定性和耐用性。


 


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圖4.(a)基于麥芒仿生結(jié)構(gòu)介電層的傳感器在0 ~ 238.65 kPa壓力范圍內(nèi)的ΔC/C0演變曲線,(b)在100 Pa循環(huán)加載下的ΔC/C0演變曲線,(c)在100 Pa循環(huán)加載下的ΔC/C0演變曲線,(d)在不同力(0.025 N、0.05 N 和 0.1 N)加載下的ΔC/C0演變曲線,(e)在不同加載速率(3、5、7、9 mm/min)下對0.1 N加載下的ΔC/C0演變曲線,(f)離-電式壓力傳感器的響應/恢復時間,(g)在加載壓力為0.05 N、加載速度為5 mm/min條件下的6000次循環(huán)試驗中傳感器的ΔC/C0演變曲線。



為了評估該傳感器在個人健康監(jiān)測、人體運動監(jiān)測、信息加密傳輸?shù)确矫娴臐撛趹?,本工作做了以下的演示實驗(圖5)。該傳感器可以靈敏地感知水滴逐滴滴加的微弱壓力(約1.08 Pa),顯示出較高壓力的檢測精度(圖5a)。此外,志愿者手腕的微弱脈沖信號P、T、D特征波也可以被該傳感器檢測到(圖5b)。該傳感器還可以通過觀察ΔC/C0峰值的頻率來監(jiān)測和區(qū)分人體的運動狀態(tài)。當志愿者行走、站立、快走時,貼在志愿者鞋底的傳感器的ΔC/C0值會發(fā)生相應的變化(圖5c)。該傳感器還可以根據(jù)摩爾斯電碼的規(guī)則,對信息進行加密和轉(zhuǎn)換(圖5d)。圖中顯示了我們的傳感器對信息(“sensor")進行了加密和轉(zhuǎn)換。同時,本工作構(gòu)建了用于盲文識別的傳感器陣列。通過將陣列傳感器放置在盲文上,對陣列傳感器施加一定的壓力,就可以根據(jù)ΔC/C0的差值來識別凸起的位置。在相同載荷下,凸起上方傳感器的ΔC/C0值大于平坦上方傳感器。ΔC/C0的不同值可以轉(zhuǎn)換成聲音信號傳輸給盲人,實現(xiàn)盲文識別。圖5e顯示了所設計的傳感器陣列對“化學"盲文的識別情況。此外,該傳感器陣列具有優(yōu)異的光學透明度(圖5f),且可以通過觀察傳感器ΔC/C0值差異所產(chǎn)生的壓力映射圖像的顏色和位置來識別“H"、“Z"、“N"、 “U"四個字母,在智能機器人和足部醫(yī)療診斷領域具有良好的應用前景。
 
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圖5.(a)傳感器對水滴產(chǎn)生的微弱壓力刺激產(chǎn)生的電容響應信號,(b)傳感器檢測到的脈沖信號,它清晰地顯示了脈沖信號的三個特征波,(c)傳感器檢測的人體運動的電容響應,(d)“sensor"信息的加密和翻譯,(e)對“化學"盲文信息的識別,(f)傳感器陣列的光學照片和圖片,(g)“H"、“Z"、“N"、“U"壓力圖的識別。



該離-電式柔性壓力傳感器具有高透明度和優(yōu)異的傳感性能,在人機界面、柔性顯示器、可穿戴設備等領域具有應用前景。在工作中,我們組裝了一個由2 × 3陣列傳感器組成的透明智能手環(huán),以評估其在可穿戴智能設備中的應用。手環(huán)的每個傳感器都用一個通用短語編程,然后設計成一個快捷鍵。當用戶觸摸傳感器時,傳感器的電容會發(fā)生明顯的變化,并使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄電容信號。然后,將電容信號轉(zhuǎn)換成相應的短語,通過藍牙傳輸?shù)接嬎銠C上。這種柔性透明的智能設備在人機交互和移動設備方面顯示出巨大的潛力。
 
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圖6. 傳感器在智能手環(huán)中的應用演示

結(jié)論:綜上,研究團隊基于麥芒仿生多級結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種兼具高靈敏和寬量程的離-電式壓力傳感器。該新穎的結(jié)構(gòu)設計使得介電層/電極層界面在壓力作用下的接觸面積持續(xù)增大,從而使傳感器的電容信號規(guī)律變化,對傳感器的可檢測量程和靈敏度的提高起到了至關重要的作用。此外,透明電極和PVA/H3PO4介電層賦予傳感器良好的光學透明度。所獲得的傳感器具有高靈敏度(47.65 kPa-1)、寬檢測量程(1.08 Pa-238 kPa)、出色穩(wěn)定性以及良好的透明度。此外,該傳感器可以設計成透明的智能手環(huán)和智能窗口,在健康監(jiān)測、可穿戴電子設備和電子皮膚等方面具有應用潛力。