中國電子元件行業(yè)協(xié)會
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(nèi)實現(xiàn)靈敏度和響應閾值的可調(diào)配置，可顯著提升器件在不同應用場景中的應用效果。但基于敏感材料微結構調(diào)控的常規(guī)配置方法難以實現(xiàn)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，實現(xiàn)了器件靈敏度和響應閾值的解耦調(diào)控?；趦?yōu)化設計參數(shù)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(nèi)可調(diào)。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(jiān)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(diào)控效應示意圖，c 傳感器關鍵結構參數(shù)，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(shù)據(jù)，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現(xiàn)優(yōu)異的基線靈敏度的基礎上，構筑器件墊片結構和離子凝膠的互鎖微結構，分別在宏觀和微觀層面對器件性能進行調(diào)控。墊片結構設計的變化可有效調(diào)控器件的宏觀受力形變行為，從而調(diào)節(jié)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對離子凝膠層互鎖接觸特性的調(diào)控誘導敏感材料中應力集中特性，從而實現(xiàn)對靈敏度的精細調(diào)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(nèi)墊片結構和外墊片結構示意圖，b 內(nèi)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(nèi)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。
通過結合力學仿真和實驗測試，本工作對比分析了具有內(nèi)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(nèi)墊片結構的器件在受到外部正壓力時整體發(fā)生均勻形變，因此在同等壓力下會在器件中產(chǎn)生較具有外墊片結構的器件更大的應力。同時，由于墊片厚度與器件響應閾值之間呈正相關，通過進一步調(diào)整墊片結構的幾何參數(shù)對器件響應閾值進行調(diào)控。通過將具有不同表面粗糙度的離子凝膠進行組合，可以構建三種不同的敏感材料互鎖結構（無互鎖、同質(zhì)互鎖、異質(zhì)互鎖）。從有限元計算結果可以看出，通過構筑不同類型的互鎖結構，可使器件展現(xiàn)出不同的靈敏度特性，從而實現(xiàn)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行協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)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400 kPa的可調(diào)響應閾值。該器件還表現(xiàn)出良好的性能可重復性，多個器件之間的性能一致性優(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紙片時的電容響應，d 傳感器的響應和恢復時間特性，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識別：a 壓力傳感器監(jiān)測人體運動的示意圖，b-c 日?；顒雍腕w育運動中傳感器的實時電容響應。
圖5 利用基于SSD的壓力傳感陣列實現(xiàn)壓力分布可視化：a 傳感陣列結構示意圖，b 無線壓力監(jiān)測電路的實物圖，c 字母“P”、“A”、“D”的壓力映射圖，d 基于傳感陣列的多點觸控檢測。
研究人員面向體態(tài)檢測和多點壓力可視化應用場景，展示了器件的潛在應用場景。基于SSD的傳感器被集成至鞋墊前腳掌區(qū)域時，可通過分析前腳掌壓力的大小對坐、蹲、站和走等各種人體活動進行區(qū)分?；赟SD設計的4×4柔性壓力傳感陣列可實現(xiàn)對壓力面分布的可視化，能夠同時監(jiān)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現(xiàn)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，通過調(diào)節(jié)墊片的結構參數(shù)來調(diào)整傳感器的應變分布，從而實現(xiàn)可調(diào)的響應閾值。同時，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400 kPa的可調(diào)響應閾值，并表現(xiàn)出優(yōu)異的再現(xiàn)性和耐用性?；赟SD的傳感器成功應用于日常和體育活動中的前足壓力測量，用于健康監(jiān)測和運動識別；其傳感陣列也可實現(xiàn)對壓力的可視化測量。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/fle2.12009
