基於微金字塔結構的超靈敏柔性壓力傳感器

柔性壓力傳感器可以順應任意複雜的表面形狀，並在人類日常活動（例如人體的物理接觸和正常生理活動）所產生的壓力轉換為電信號，是最重要的柔性電子設備之一。基於具有高靈敏度和寬感測範圍的柔性壓力傳感器可以檢測正常觸摸和物體操作所產生的壓力，因此在人工智慧、人機互動、健康監控等領域引起了廣泛關注。例如，觸覺器官可以使機器人能夠通過觸摸來感知世界，並熟練地拿起並握住物體，甚至以友好的方式與人類和其他機器人進行交流或交互。這種智能交互需要電子皮膚具有高靈敏度和優異穩定性。

然而，製造在寬壓力範圍內具有高靈敏度的柔性壓力傳感器仍然是一個挑戰。齊魯工業大學Wenxia Liu和濟南大學Hong Liu 教授課題組在國際期刊Advanced Science上發表題為「Engineered Microstructure Derived Hierarchical Deformation of Flexible Pressure Sensor Induces a Supersensitive Piezoresistive Property in Broad Pressure Range」的研究論文。

本文中，報導了一種通過在PDMS膜微結構化的柔性壓力傳感器。該傳感器的高性能源於其獨特的微金字塔壁網格結構（PWGM）。膠片上的正方形圓頂穹頂和交叉的加強牆形成了多層的微觀結構。面對面堆疊的兩塊PWGM柔性PDMS膜形成了壓阻傳感器，在非常寬的壓力範圍內具有超高的靈敏度。在壓力範圍0-1.6和1.6-6 kPa下，設備的靈敏度分別高達383 665.9和269 662.9 kPa-1。在6.1-11 kPa的較高壓力範圍內，靈敏度為48 689.1 kPa-1，即使在11-56 kPa的非常高的壓力範圍內，靈敏度仍為1266.8 kPa-1。壓力傳感器具有出色的彎曲和扭轉應變檢測特性、機械耐用，並且在醫療保健的可穿戴生物傳感中具有潛在的應用。另外，基於該壓力傳感器所製備的2×2和4×4傳感器陣列表明製造電子皮膚的可能性。

a）超靈敏柔性壓力傳感器的製造過程示意圖。b，c）具有不同角度的微結構化PDMS膜的掃描電子顯微鏡圖像，以及d）互鎖的PDMS基板。

柔性壓力傳感器的傳感特性。a）電流相對於壓力的相對變化範圍為0 Pa至60 kPa。b）低壓範圍0-11 kPa的高解析度曲線。c）施加10 Pa壓力時，壓力傳感器的電流響應為八個周期。d）在10 Pa的加載/卸載壓力下壓力傳感器的響應和恢復時間。e）通過施加≈0.26kPa的壓力反覆加載和卸載（總持續時間為106000 s）進行測試的壓力傳感器的耐久性。f）記錄的電流變化從7401到7448 s。

PWGM柔性PDMS傳感器設備的變形機理示意圖。a）一對鍍金的PWGM柔性PDMS膜的微觀結構。b）產生的互鎖式接觸壓力傳感器。c）初始狀態：一對微結構中的一個單元，每個金字塔的圓頂狀頂部接觸微結構化膜的空白區域的底部。d）聯鎖接觸模式，以及帶有多個電阻的等效電路。e）第一階段：金字塔的圓頂狀頂部在低壓載荷下開始被壓縮。f）第二階段：較高的壓力載荷使金字塔嚴重變形，x軸加固壁開始受到壓縮。g）第三階段：金字塔和x軸加固牆都嚴重變形，並且y軸加固牆開始被壓縮。h）階段IV：在非常高的壓力載荷下，所有的微觀結構同時變形，變形變得更加困難。

柔性壓力傳感器，用於檢測彎曲和扭轉應變。a）彎曲傳感器。照片顯示了其彎曲的靈活性。b）壓力傳感器對彎曲應變的電流響應。c）電流和彎曲角度之間的關係。d）扭曲傳感器。照片顯示了其扭曲的靈活性。e）壓力傳感器對扭轉應變的電流響應。f）電流和扭轉角之間的關係。

柔性壓力傳感器的應用。a）附在作者手腕上的壓力傳感器的照片，作為脈搏監測器。b，c）在1 V電壓下的實時脈衝監測電流輸出。d）附在作者喉嚨上的壓力傳感器的照片，用於測量聲帶振動模式。e-g）語音「早上好」的聲帶振動監控的實時電流輸出。h）壓力傳感器陣列的照片，四個紅豆放置在不同的位置以繪製壓力分布圖。i）在紅豆壓力下的電流信號分布。

文獻連結：https://doi.org/10.1002/advs.202000154

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