齐鲁工业大学刘温霞和济南大学刘宏:工程微结构衍生的柔性压力传感器分级变形在宽压力范围内诱导超灵敏压阻特性

youyoucao 4年前 (2020-08-22) 3626浏览

第一作者：Gang Li、Duo Chen

通讯作者：Wenxia Liu、Hong Liu

通讯单位：齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验室、济南大学前沿交叉研究院

链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000154

研究亮点：

1. 本文设计了一种独特的具有高性能的金字塔形墙栅微结构（PWGM）的柔性压力传感器。传感器表面的圆顶金字塔和交叉加固墙的方形阵列形成了一个高度的分级微结构。

2. 面对面堆叠的PWGM柔性PDMS薄膜构成了一个压阻式传感器，在0–1.6和1.6–6 kPa的压力范围内，该装置的灵敏度分别高达383 665.9和269 662.9 kPa^-1。在6.1–11 kPa的较高压力范围内，灵敏度为48 689.1 kPa^-1，即使在11–56 kPa的非常高的压力范围内，灵敏度也保持在1266.8 kPa^-1。

3. 该压力传感器具有优异的弯曲和扭转应变检测性能，具有机械耐久性，并在医疗保健的可穿戴生物传感中具有潜在的应用。此外，制备并表征了2 × 2和4 × 4传感器阵列，表明制造柔性触觉传感器的可能性。

研究背景

柔性压力传感器是最重要的柔性电子设备之一。基于柔性压力传感器的电子皮肤概念具有高灵敏度和足够宽的传感范围，可检测正常触摸和物体操作产生的压力，因此在人工智能、人机交互、健康监测和软机器人等领域引起了广泛关注。为了制造一种在宽压力范围内具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器，并克服定制不规则微结构的困难，齐鲁工业大学刘温霞教授课题组和济南大学刘宏教授课题组以PDMS为弹性体，设计了一种基于分级变形机制的金字塔壁网格微结构。用于柔性压阻压力传感器的PWGM柔性PDMS薄膜通过4步成型法制备，使用专门设计的硅微阵列作为主模具。基于这种新型分级变形机制的PWGM PDMS薄膜压力传感器具有极高的灵敏度和快速响应速度，以及在非常宽的压力范围内的长期稳定性。此外，2 × 2和4 × 4微米分辨率的PWGM触觉传感器已经使PWGM柔性PDMS薄膜构建模块构建。通过监测作者自身的脉搏和声带振动，探索了这种超灵敏压力传感器的可能应用，展示了其作为多功能电子皮肤的潜在用途。

图文导读

为了获得具有独特超高灵敏度的柔性压阻压力传感器，我们设计了独特的倒模制造过程。PWGM柔性PDMS薄膜在组装成互锁压力传感器之前经过金溅射以生成导电层。

图1：柔性超灵敏压力传感器制造过程示意图

为了定量评估装置的传感特性，测量了电流随压力的变化，获得压力传感器的灵敏度变化、响应恢复时间以及稳点循环图像。由于传感器独特的微结构，于金涂层PWGM柔性PDMS薄膜的压力传感器装置在不同的压力传感器内具有超高的灵敏度(高达380，0 00 kPa^-1)、非常宽的工作压力范围(从0.25Pa到60kPa)、短的响应恢复时间(75ms)、突出的最小可检测压力(约0.25Pa)和长期循环稳定性(1000次循环后没有明显的灵敏度下降)。

图2：柔性压力传感器的传感特性

这项工作中的传感器设备在很宽的压力范围内都具有超灵敏度，这是传感材料独特的金字塔壁网格微结构的结果。PWGM薄膜由均匀分布的圆顶方形棱锥体组成，棱锥体与平行于x轴和y轴的加强壁相连，不同微结构组件具有不同的特征高度等级。圆顶金字塔是平行于x轴的加固墙高度的两倍，其本身比平行于y轴的加固墙高得多。这种工程化的分层柔性PDMS结构赋予PWGW传感器设备在宽压力范围内的超高灵敏度和良好的可重复性。