中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近些年，柔性電容式壓力傳感器得到了廣泛發(fā)展，然而在大壓力預載下，想要在寬壓力范圍內同時(shí)實(shí)現出色的線(xiàn)性度、高靈敏度和超高壓力分辨率仍然充滿(mǎn)挑戰。為了應對這一難題，人們開(kāi)始探索離電子式壓力傳感器的各種結構設計。
近期，河北工業(yè)大學(xué)李鐵軍教授團隊和美國賓夕法尼亞州立大學(xué)程寰宇助理教授等研究人員共同提出一種集成超薄離子層的可編程微結構制造方法，基于此方法優(yōu)化的離電子式壓力傳感器在1700 kPa線(xiàn)性范圍內靈敏度高達33.7 kPa?1，檢測限為0.36 Pa，在2000 kPa下的壓力分辨率為0.00725%。該傳感器具備快速響應/恢復特性以及出色的可重復性，可應用于細微脈沖檢測、交互式機械手和超高分辨率智能體重秤/椅子。這項研究工作提出的制造方法和設計工具包還可以用于靈活調整壓力傳感器性能，以適應不同的目標應用，為創(chuàng )建其它離電子式傳感器開(kāi)辟新的道路。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊。
本研究提出的離電子式壓力傳感器
在這項研究工作中，研究人員探討了利用具有高斯光束的CO?激光器來(lái)制造可編程梯度錐體微結構（GPM），以實(shí)現高性能的柔性離電子式壓力傳感器，與光刻相比，該制造方法降低了成本和工藝復雜性。梯度陣列中每個(gè)錐體外形和高度都可以單獨調整和優(yōu)化，以在壓力增加時(shí)提供均勻的變形?？删幊涛⒔Y構和超薄離子液體（IL）層的結合使得離子凝膠/電極界面形成雙電層（EDL），通過(guò)調制梯度錐體微結構單元內的錐體外形和離子液體濃度，進(jìn)一步提高了壓力傳感性能，使其在高達1700 kPa的超寬線(xiàn)性傳感范圍內表現出高靈敏度（33.7 kPa?1）和優(yōu)異的線(xiàn)性度（0.99）。此外，梯度錐體微結構表面的精細結構為傳感器提供了最小的初始接觸面積，使其可以在無(wú)壓力預載下檢測0.36 Pa的超低壓力，在壓力預載為2000 Pa時(shí)檢測145 Pa的微小壓力變化，從而獲得0.00725%的超高壓分辨率。
基于梯度錐體微結構的離電子式壓力傳感器的設計與表征
基于調制雙電層（EDL）效應增強壓力傳感性能
離電子式壓力傳感器的壓力傳感性能表征（離子濃度為50 wt%）
該離電子式壓力傳感器具有獨特的定位特性，可以檢測指尖的細微脈沖和微小壓力變化，并與智能人機交互控制系統集成。研究人員通過(guò)在人機交互指尖脈沖監測、具有超高壓力分辨率的高性能智能椅子、用于靈活操控物體的智能機械手的概念驗證演示中，展示了該高性能柔性離電子式壓力傳感器應用于可穿戴健康監測設備、智能假肢皮膚和智能人機協(xié)作系統中的前景。
離電子式壓力傳感器在指尖脈沖監測、智能高精度體重秤、人機交互中的應用
研究人員稱(chēng)，雖然該柔性離電子式壓力傳感器在超寬線(xiàn)性傳感范圍內具有高靈敏度，不過(guò)仍有待改進(jìn)之處。例如，通過(guò)增加離子液體的濃度來(lái)提高靈敏度，通過(guò)使用更大的錐體來(lái)擴大感應范圍，以獲得更顯著(zhù)的接觸面積變化；通過(guò)在電極和介電層之間增加氣隙以進(jìn)一步降低檢測限；此外，鑒于微結構對電容變化的調節作用，也可以通過(guò)調整微結構來(lái)擴大線(xiàn)性傳感范圍。在未來(lái)的工作中，研究人員將通過(guò)優(yōu)化激光參數和結構設計等，進(jìn)一步提升該傳感器性能。
