柔性可穿戴压力传感器

2021-08-24

柔性可穿戴压力传感器在电子皮肤，医疗监测、智能机器人等方面应用广泛。完美的可穿戴压力传感器应该具备高灵敏度、量程范围大、低检测极限的传感系统。

图1柔性可穿戴压力传感器在电子皮肤，医疗监测、智能机器人等方面应用广泛

然而目前传统的压力传感器无法同时满足这些要求，对此，陈明研究团队通过接触点调制技术，利用柔性聚酰亚胺薄膜/粗糙叉状电极/聚二甲基硅氧烷薄膜微结构制备了高性能的柔性可穿戴压力传感器，该传
感器灵敏度在0-2.5 kPa范围可达259.32 kPa-1，最大测量范围达到54 kPa，响应时间约200 μs。在健康监控方面，该压力传感器可实现对人体脉搏的监测；在智能机器人方面，课题组制备的压力传感器/机器人系

统可以感知外界轻微的压力并做出迅速的动作反射。该工作发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 11, 2551 (2019)。

图2 “粗糙-粗糙”型传感器应用：（a-b）传感器用于检测微弱压力（米粒），检测极限可以达到0.36 Pa
(c-d) 传感器用于健康监控：实时监测人体脉搏（e-f）传感器用于智能机器人：实时监测悬挂乒乓球的轻微摆动

此外，团队发现当传统的柔性传感器件应用在真实柔性基底场景中，由于器件弯曲引起的沿着法线方向上的垂直应力会产生“伪信号”，因而如何确保最终器件性能的可靠与稳定性依旧是一项相当迫切的需求。此外，实现更宽动态线性量程的同时通常会以牺牲器件灵敏度为代价，反之亦然，如何通过结构的设计以及材料选择解决器件灵敏度与动态线性量程范围之间的平衡问题仍然是一个不小的挑战。为解决以上问题，陈
明研究团队提出了两种解决方案：（1）利用传统微纳加工工艺、真空镀膜技术和激光划线工艺制备出顶部为微圆台结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）/掺铝氧化锌（AZO）、间隔层为光刻胶（PS）和底部叉指电极为聚
酰亚胺（PI）/金（Au）的柔性压力传感器。所制备的器件拥有高达2200 kPa-1的灵敏度、宽达9.6 kPa的动态线性量程范围，快至低于20 ms的上升和下降响应时间等优异性能，并成功应用于人工反射弧；（2）采用
聚二甲基硅氧烷/碳黑、图案化的聚酰亚胺间隔层和激光诱导石墨烯叉指电极结构，所制备的柔性压力传感器具有高灵敏度（43 kPa-1），宽线性响应范围（0.4～13.6 kPa），快速响应（<30 ms）、长期循环稳定性
（>1800个周期）。最重要的是，以上两种方案除了实现高性能压力传感器之外，还具备待机零功率损耗特性(0-20o)。以上工作分别发表在Nano Energy 73, 104743 (2020)，ACS Applied Materials & Interfaces
12, 19563-19571 (2020)上。
以上工作为高性能压力传感器的制备提供了多种有效的技术方案，并且有望促进压力传感器在生物医学，健康监测和人工智能等方向的实际应用。

图3 人体及人工反射弧概念示意图、人工反射弧在真实场景中应用实物图