中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
1、導讀
柔性壓力傳感器是可穿戴電子中感知外部機械刺激的基本功能單元。在單一壓力傳感器件框架內實(shí)現靈敏度和響應閾值的可調配置，可顯著(zhù)提升器件在不同應用場(chǎng)景中的應用效果。但基于敏感材料微結構調控的常規配置方法難以實(shí)現靈敏度和響應閾值間的有效解耦，高靈敏度和寬響應閾值間的固有矛盾始終存在。在這項工作中，電子科技大學(xué)研究人員基于柔性離電式壓力傳感器提出了一種協(xié)同結構設計（SSD）策略，通過(guò)可定制墊片結構和互鎖凝膠微結構的跨尺度協(xié)同效應，實(shí)現了器件靈敏度和響應閾值的解耦調控?；趦?yōu)化設計參數的柔性壓力傳感器靈敏度可達近1500 kPa?1，響應閾值在11 Pa至400 kPa范圍內可調。研究人員還展示了基于SSD策略的柔性壓力傳感器在體態(tài)監測、可視化壓力感知等應用中的潛力。
2、研究結果
圖1 柔性電容式壓力傳感器的協(xié)同結構設計：a 具有SSD設計的柔性壓力傳感器結構示意圖，b 基于SSD的協(xié)同調控效應示意圖，c 傳感器關(guān)鍵結構參數，d 離子凝膠表面形貌的共聚焦顯微鏡表征結果，e 離子凝膠表面的高度剖面數據，f 基于SSD設計的器件照片。
研究人員在利用離子凝膠作為敏感材料以實(shí)現優(yōu)異的基線(xiàn)靈敏度的基礎上，構筑器件墊片結構和離子凝膠的互鎖微結構，分別在宏觀(guān)和微觀(guān)層面對器件性能進(jìn)行調控。墊片結構設計的變化可有效調控器件的宏觀(guān)受力形變行為，從而調節壓力的響應閾值。另一方面，離子凝膠表面的粗糙度改變則能夠通過(guò)對離子凝膠層互鎖接觸特性的調控誘導敏感材料中應力集中特性，從而實(shí)現對靈敏度的精細調控。此外，基于SSD設計的壓力傳感器件也具備良好的柔韌性。
圖2 基于SSD設計的壓力傳感器件特性配置：a 內墊片結構和外墊片結構示意圖，b 內墊片結構器件和外墊片結構器件在壓力載荷下的位移分布有限元仿真，c-d 內墊片結構器件和外墊片結構器件的響應特性比較，e-g 采用不同互鎖結構的器件結構示意圖、有限元仿真和器件響應特性比較。
通過(guò)結合力學(xué)仿真和實(shí)驗測試，本工作對比分析了具有內墊片結構和外墊片結構的器件在響應閾值上的差異。由于具有內墊片結構的器件在受到外部正壓力時(shí)整體發(fā)生均勻形變，因此在同等壓力下會(huì )在器件中產(chǎn)生較具有外墊片結構的器件更大的應力。同時(shí)，由于墊片厚度與器件響應閾值之間呈正相關(guān)，通過(guò)進(jìn)一步調整墊片結構的幾何參數對器件響應閾值進(jìn)行調控。通過(guò)將具有不同表面粗糙度的離子凝膠進(jìn)行組合，可以構建三種不同的敏感材料互鎖結構（無(wú)互鎖、同質(zhì)互鎖、異質(zhì)互鎖）。從有限元計算結果可以看出，通過(guò)構筑不同類(lèi)型的互鎖結構，可使器件展現出不同的靈敏度特性，從而實(shí)現器件靈敏度的靈活配置。因此，可基于墊片結構和互鎖結構的理性設計，對器件的響應閾值和靈敏度進(jìn)行協(xié)同調控，實(shí)現器件敏感特性的按需配置?；赟SD的壓力傳感器件最大靈敏度可達1478.8 kPa?1，且具備從11.2 Pa到超過(guò)400 kPa的可調響應閾值。該器件還表現出良好的性能可重復性，多個(gè)器件之間的性能一致性?xún)?yōu)異。此外，得益于協(xié)同結構配置，傳感器在200 kPa的條件下經(jīng)過(guò)3000次循環(huán)測試后，仍能保持僅1.6 nF的標準偏差。
圖3 基于SSD設計的壓力傳感器的基本傳感特性：a 相對電容變化與外加壓力載荷的關(guān)系，b 不同壓力下傳感器電容響應的可重復性，c 器件在放置20mg紙片時(shí)的電容響應，d 傳感器的響應和恢復時(shí)間特性，e 變化壓力下的相對電容變化，f 200 kPa循環(huán)壓力下的相對電容變化。
圖4 基于SSD的壓力傳感器用于運動(dòng)識別：a 壓力傳感器監測人體運動(dòng)的示意圖，b-c 日?；顒?dòng)和體育運動(dòng)中傳感器的實(shí)時(shí)電容響應。
圖5 利用基于SSD的壓力傳感陣列實(shí)現壓力分布可視化：a 傳感陣列結構示意圖，b 無(wú)線(xiàn)壓力監測電路的實(shí)物圖，c 字母“P”、“A”、“D”的壓力映射圖，d 基于傳感陣列的多點(diǎn)觸控檢測。
研究人員面向體態(tài)檢測和多點(diǎn)壓力可視化應用場(chǎng)景，展示了器件的潛在應用場(chǎng)景?；赟SD的傳感器被集成至鞋墊前腳掌區域時(shí)，可通過(guò)分析前腳掌壓力的大小對坐、蹲、站和走等各種人體活動(dòng)進(jìn)行區分?；赟SD設計的4×4柔性壓力傳感陣列可實(shí)現對壓力面分布的可視化，能夠同時(shí)監測觸摸位置并測量觸摸壓力的大小。SSD設計不僅確保了檢測微小壓力的高靈敏度，還通過(guò)墊片結構隔離減輕了單元間的串擾效應，保證了觸摸位置和壓力大小的精確檢測。
3、研究結論
在這項工作中，研究人員提出了一種用于柔性壓力傳感器的協(xié)同結構設計，在保證靈敏度的情況下實(shí)現了可配置的響應閾值。墊片結構控制傳感器的整體變形行為，通過(guò)調節墊片的結構參數來(lái)調整傳感器的應變分布，從而實(shí)現可調的響應閾值。同時(shí)，在離子凝膠中引入互鎖結構可增強電介質(zhì)中的應力集中效應，從而提升傳感器的靈敏度。經(jīng)SSD優(yōu)化后的傳感器最大靈敏度可達1478.8 kPa?1，且具備從11.2 Pa到超過(guò)400 kPa的可調響應閾值，并表現出優(yōu)異的再現性和耐用性?；赟SD的傳感器成功應用于日常和體育活動(dòng)中的前足壓力測量，用于健康監測和運動(dòng)識別；其傳感陣列也可實(shí)現對壓力的可視化測量。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/fle2.12009
