【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近年來，柔性壓力傳感器件因在人機(jī)交互、電子皮膚、智能可穿戴等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而越來越受到產(chǎn)、學(xué)、研界的關(guān)注。然而，當(dāng)傳統(tǒng)的柔性傳感器件應(yīng)用在真實(shí)柔性基底場景中，由于器件彎曲引起的沿著法線方向上的垂直應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生“偽信號”，因而如何確保終器件性能的可靠與穩(wěn)定性依舊是一項(xiàng)相當(dāng)迫切的需求。此外，實(shí)現(xiàn)更寬動(dòng)態(tài)線性量程的同時(shí)通常會(huì)以犧牲器件靈敏度為代價(jià)，反之亦然，如何通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及材料選擇解決器件靈敏度與動(dòng)態(tài)線性量程范圍之間的平衡問題仍然是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。為解決以上問題，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所(籌)光子信息與能源材料研究中心陳明副研究員、楊春雷研究員及其合作者提出了兩種解決方案。
 

圖1 基于柔性壓力傳感器件的有限元分析
 

圖2 人體及人工反射弧概念示意圖、人工反射弧在真實(shí)場景中應(yīng)用實(shí)物圖
 

　　研究人員利用傳統(tǒng)微納加工工藝、真空鍍膜技術(shù)和激光劃線工藝制備出頂部為微圓臺結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/摻鋁氧化鋅(AZO)、間隔層為光刻膠(PS)和底部叉指電極為聚酰亞胺(PI)/金(Au)的柔性壓力傳感器。所制備的器件擁有高達(dá)2200 kPa-1的靈敏度、寬達(dá)9.6 kPa的動(dòng)態(tài)線性量程范圍，快至低于20 ms的上升和下降響應(yīng)時(shí)間等優(yōu)異性能。研究人員還進(jìn)一步從理論角度闡明了器件在外界壓力作用下的工作機(jī)理和內(nèi)在壓力分布，解釋了PS間隔層中空穴直徑大小、導(dǎo)電層微結(jié)構(gòu)與終器件靈敏度、動(dòng)態(tài)線性量程范圍和靈敏閾值等性能的關(guān)系。近日，上述研究成果以"High-performance zero-standby-power-consumption-under-bending pressure sensors for artificial reflex arc"為題發(fā)表在能源期刊Nano Energy(DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104743，IF=15.548)上。
 

　　除此之外，研究人員還設(shè)計(jì)了一種基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳黑(CB)、圖案化的聚酰亞胺(PI)間隔層和激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)叉指電極的高性能，待機(jī)功率損耗為零的柔性壓力傳感器。所制備的柔性壓力傳感器具有高靈敏度(43 kPa-1)，寬線性響應(yīng)范圍(0.4～13.6 kPa)，快速響應(yīng)(<30 ms)、長期循環(huán)穩(wěn)定性(>1800個(gè)周期)和在某些彎曲條件下(彎曲角度：0～5°)還具有待機(jī)零功率損耗等性能。研究人員還在實(shí)驗(yàn)上和理論上研究了PI間隔層的孔徑對柔性壓力傳感器性能的影響。相關(guān)研究成果也于近日以"Highly Sensitive and Wide Linear-Response Pressure Sensors Featuring Zero Standby Power Consumption under Bending Conditions"為題發(fā)表在美國化學(xué)會(huì)期刊ACS Applied Materials & Interfaces(DOI: 10.1021/acsami.0c02774，IF=8.456)上。上述工作由聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生何可、聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生易成漢和正式碩士研究生侯玉欣等共同協(xié)作完成。
 

　　以上研究得到國家自然科學(xué)基金和深圳市基礎(chǔ)研究布局項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助支持。