济南大学前沿交叉科学研究院刘宏、张丛丛团队Nano Energy：基于压电耦合OFET的高性能防水透气全柔性触觉传感器

钢铁侠 2年前 (2022-12-03) 2198浏览

第一作者：Ailing Yin、Jian Wang

通讯作者：Congcong Zhang、Hong Liu

通讯单位：济南大学前沿交叉科学研究院

链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108034

【研究亮点】

1.PVDF的天然疏水特性结合先进的静电纺丝技术，得到纤维互连的压电薄膜，实现传感器的柔性、防水性和透气性。

2．在压电电子学的引导下，将PVDF纳米纤维膜（NM）与OFET电容耦合，构筑低能耗高性能的触觉传感器，其灵敏度、检测限和响应时间分别为7.94 KPa^-1、48.54 Pa和105 ms。

3.高性能、防水、透气的触觉传感器，可实现对人体生理信号的实时监测。

【研究背景】

以触觉传感为代表的压力传感器是人体假肢、机器人手臂等尖端领域不可或缺的电子元件之一。虽然目前在这类设备的开发方面已经取得了很大的进展，但是获得同时具有高灵敏度、防水性和透气性的柔性触觉传感器仍然是一个巨大的挑战。针对上述问题，济南大学前沿交叉科学研究院刘宏、张丛丛团队构建了一种全柔性、防水透气、节能高效的触觉压电传感器。该装置运用静电纺丝技术获得β-PVDF纳米纤维膜作为信号输入单元。材料天然的疏水特性结合PVDF纳米纤维膜中数以万计的微孔，使设备具有优异的防水性和透气性，能够避免外界潮湿环境和佩戴者汗水的侵害，从而提高稳定性和佩戴舒适性。由于基于压电效应极化的PVDF NM产生的电荷足以驱动DPA-OFET器件，因此作为信号放大和输出单元，该装置可以在不施加栅极电压的情况下，将外部刺激的机械信号转化为电信号来调制沟道电流，实现器件的节能和高性能。研究成果以“High Performance Waterproof-Breathable Fully Flexible Tactile Sensor based on Piezotronics Coupled OFET”为题发表于NanoEnergy。

【图文导读】

为了获得具有优异的力-电转换功能的防水透气的柔性信号输入单元，我们将PVDF粉末溶解在N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶液中配制PVDF溶液；通过静电纺丝得到PVDF NM。

图1: PVDF NM制备流程图。a)压电纳米纤维制备原理图；b) 压电纤维制备流程实物图；c)展示了PVDF NM具有良好的柔性。

为了检测PVDF NM的成膜质量且更直观地检验其防水透气性，我们进行了一系列的实验测试。

图2：PVDF压电纤维膜形貌和物理性能的表征。a),b)压电纤维膜不同范围的SEM图像（a图插图为纤维直径分布统计，b图插图为纤维膜接触角测试图）;c)，d）不同材料(Open, PET, PDMS, PVDF film and PVDF piezoelectric NM)覆盖的小瓶在25℃下10天内的水蒸气渗透性实验和剩余水的质量；e)液氮作为研究对象的透气性实验；f)PVDF市售的粉末、制备的纤维膜和市售的β-PVDF薄膜的XRD图像。

接下来，我们进行了一系列的测试来检验PVDF压电纤维膜的压电性能。

图3，PVDF压电纤维膜电学性能的表征。PFM测试得到的a)相位曲线（电滞曲线）和b)振幅曲线（蝴蝶曲线）；c)示波器捕获的PVDF压电纤维膜的电信号；d)PVDF压电纤维膜对不同压力刺激(重量0-200 g)的响应；e)图d的实验数据和拟合曲线；f)压电纤维膜的响应/恢复时间。

上述材料在防水、透气、响应速度等方面都表现出了优异的特性，但是由于很难捕捉到压电模型在弱力作用下的微小变形所引起的电信号变化，上述压电响应信号只能达到pA级，需要大型仪器才能捕捉到，不易获取。为了实现信号的放大功能和改善传感器信号的输出，我们制作了一种精密的底栅顶电极OFET为信号输出单元并测试了其电学传输性能。

图4：OFET的构筑。a)OFET的结构示意图；b)OFET截面的SEM图像图，插图是OFET的结构图；c)OFET的俯视图，左侧为偏光显微镜的图像，右侧为SEM图像；d)e）通过AFM表征DPA薄膜的表面形貌和厚度；f)DPA薄膜的XRD谱图。

图5：DPA-OFET的电学特性。a)，b)DPA-OFET的转移特性曲线；c),d)DPA-OFET的输出特性曲线。

基于压电效应的概念，即压电势能可以调控半导体中的电流，作为信号输入单元的PVDF NM与作为压电信号输出单元的OFET相连，从而构建了PVDF-OFET压电触觉传感器（PZTS）。为了验证PVDF-OFET-PZTS的传感性能，在不施加栅压的情况下，检测在外部刺激(10 g-200 g)的作用下，沟道电流的调制情况。

图6：PVDF-OFET压电触觉传感器。a)PVDF OFET-PZTS组成示意图。PVDF NM与DPA-OFET并联耦合；b)PVDF-OFET-PZTS对不同压力刺激（重量从0g到200g）的响应；c)PVDF-OFET的实验数据和灵敏度校准曲线；d)不同栅压下(V_GS=-10V到0V)沟道电流随时间的变化；e)PVDF-OFET-PZTS的响应/恢复速度；f)压电晶体管的循环性测试。

虽然上述PVDF-OFET-PZTS具有良好的传感性能，但因OFET建立在硬质硅衬底上，不能弯曲，在实际应用中不便。因此，我们利用有机半导体的柔性特性探索了全柔性PVDF-OFET-PZTS的构筑及其对人体生理信号的检测。

图7：柔性PVDF-OFET-PZTS的组成及应用。a)柔性PVDF-OFET-PZTS的组成示意图:PVDF NM与柔性DPA-OFET并联耦合；b)柔性OFET和柔性瓶实验的图像；c)取放柔性瓶10次的图像；d)、e)使用柔性PVDF-OFET-PZTS(弯曲角度为0°、5°、30°、60°和90°)的手指弯曲角度的定量测量的图像和结果；f)实验数据和拟合曲线；g)脉搏、h)声音和i)行走信号的检测。

【结论】

鉴于低成本的制造工艺、高透气性和防水性，本研究在一次性和可贴合在皮肤上的电子产品中显示出有前景的应用。且这种柔性压电传感器的防水，透气/水，便携，节能和全柔性为改进人机交互和可穿戴设备提供了一种新的思路。

【作者简介】