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

更新時(shí)間:2024-05-31點(diǎn)擊次數(shù):437

電容型柔性壓力傳感器在智能機(jī)器人、可穿戴電子產(chǎn)品、人機(jī)交互等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(cè)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(cè)精度受到廣泛關(guān)注。基于離-電式壓力傳感器的雙電層(EDL)原理,傳感器輸出電容信號(hào)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(duì)介電層/電極層界面進(jìn)行有效設(shè)計(jì)是獲得高性能離-電式壓力傳感器的關(guān)鍵。除了優(yōu)異的傳感性能外,光學(xué)透明度也是傳感器在電子皮膚、可穿戴電子產(chǎn)品等應(yīng)用中所必需的。目前,壓力傳感器如何同時(shí)具備高靈敏度、寬響應(yīng)量程和良好的透明度仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。




基于此,杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院朱雨田教授團(tuán)隊(duì)基于麥芒仿生多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)備加工模具后經(jīng)聚乙烯醇(PVA)/磷酸(H3PO4)翻模制備而成。




相關(guān)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(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院研究生王靜為第一作者,杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)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(gè)柔性透明電極層(銀納米線(AgNWs)/聚氨酯(TPU)/離子液體(IL))和一個(gè)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(duì)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(shí),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(dǎo)致頂部電極與介電層的界面接觸增多(圖1d2)。同時(shí),AgNWs的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)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(dāng)施加在傳感器上的壓力進(jìn)一步增加時(shí),PVA/H3PO4金字塔繼續(xù)傾斜,從而導(dǎo)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(cè)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(yīng)機(jī)制示意圖。




電極和介電層的微觀形貌對(duì)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(gè)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。


 
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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(duì)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(duì)電容變化(ΔC/C0,ΔC=C-C0,C為實(shí)時(shí)電容值,C0為初始電容值)。當(dāng)H3PO4與PVA的比值從0.4增加到1.2時(shí),傳感器在1 N負(fù)載下的ΔC/C0值從18.72增加到81.76 (圖3a-c)。這是因?yàn)楫?dāng)H3PO4與PVA的比例增加時(shí),介電層模量的降低會(huì)導(dǎo)致EDL界面的變形和接觸面積增大。然而,當(dāng)介電層中H3PO4含量進(jìn)一步增加時(shí),傳感器的C0顯著增加,導(dǎo)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(fù)載下的相對(duì)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(cè)量程可達(dá)238 kPa,其靈敏度在低壓下高達(dá)47.65 kPa-1。除了壓力檢測(cè)量程和壓力靈敏度外,在循環(huán)負(fù)載下壓力響應(yīng)信號(hào)的穩(wěn)定性在應(yīng)用中也至關(guān)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(cè)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(cè)試過程中,該傳感器能夠精確地識(shí)別壓力變化并輸出相應(yīng)的電容信號(hào),而且其壓力響應(yīng)信號(hào)的可重復(fù)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(yīng)信號(hào)(圖4e)。顯然,電容信號(hào)與加載速率無關(guān),從而進(jìn)一步保證了傳感器的可靠性。該傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為13 ms 和12 ms (圖4f),明顯低于人體皮膚的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間(幾十到幾百毫秒)。在超6000 次的循環(huán)加載測(cè)試中,該傳感器電容信號(hào)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(fù)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(duì)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(yīng)/恢復(fù)時(shí)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(yàn)中傳感器的ΔC/C0演變曲線。



為了評(píng)估該傳感器在個(gè)人健康監(jiān)測(cè)、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、信息加密傳輸?shù)确矫娴臐撛趹?yīng)用,本工作做了以下的演示實(shí)驗(yàn)(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(cè)精度(圖5a)。此外,志愿者手腕的微弱脈沖信號(hào)P、T、D特征波也可以被該傳感器檢測(cè)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(cè)和區(qū)分人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)志愿者行走、站立、快走時(shí),貼在志愿者鞋底的傳感器的ΔC/C0值會(huì)發(fā)生相應(yīng)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(duì)信息進(jìn)行加密和轉(zhuǎn)換(圖5d)。圖中顯示了我們的傳感器對(duì)信息(“sensor")進(jìn)行了加密和轉(zhuǎn)換。同時(shí),本工作構(gòu)建了用于盲文識(shí)別的傳感器陣列。通過將陣列傳感器放置在盲文上,對(duì)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(shí)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(hào)傳輸給盲人,實(shí)現(xiàn)盲文識(shí)別。圖5e顯示了所設(shè)計(jì)的傳感器陣列對(duì)“化學(xué)"盲文的識(shí)別情況。此外,該傳感器陣列具有優(yōu)異的光學(xué)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(shí)別“H"、“Z"、“N"、 “U"四個(gè)字母,在智能機(jī)器人和足部醫(yī)療診斷領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
 
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圖5.(a)傳感器對(duì)水滴產(chǎn)生的微弱壓力刺激產(chǎn)生的電容響應(yīng)信號(hào),(b)傳感器檢測(cè)到的脈沖信號(hào),它清晰地顯示了脈沖信號(hào)的三個(gè)特征波,(c)傳感器檢測(cè)的人體運(yùn)動(dòng)的電容響應(yīng),(d)“sensor"信息的加密和翻譯,(e)對(duì)“化學(xué)"盲文信息的識(shí)別,(f)傳感器陣列的光學(xué)照片和圖片,(g)“H"、“Z"、“N"、“U"壓力圖的識(shí)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(jī)界面、柔性顯示器、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。在工作中,我們組裝了一個(gè)由2 × 3陣列傳感器組成的透明智能手環(huán),以評(píng)估其在可穿戴智能設(shè)備中的應(yīng)用。手環(huán)的每個(gè)傳感器都用一個(gè)通用短語編程,然后設(shè)計(jì)成一個(gè)快捷鍵。當(dāng)用戶觸摸傳感器時(shí),傳感器的電容會(huì)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(hào)。然后,將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的短語,通過藍(lán)牙傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。這種柔性透明的智能設(shè)備在人機(jī)交互和移動(dòng)設(shè)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(yīng)用演示

結(jié)論:綜上,研究團(tuán)隊(duì)基于麥芒仿生多級(jí)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(shè)計(jì)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(hào)規(guī)律變化,對(duì)傳感器的可檢測(cè)量程和靈敏度的提高起到了至關(guān)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(xué)透明度。所獲得的傳感器具有高靈敏度(47.65 kPa-1)、寬檢測(cè)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(shè)計(jì)成透明的智能手環(huán)和智能窗口,在健康監(jiān)測(cè)、可穿戴電子設(shè)備和電子皮膚等方面具有應(yīng)用潛力。



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