近些年，柔性電容式壓力傳感器得到了廣泛發(fā)展，然而在大壓力預(yù)載下，想要在寬壓力范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)出色的線性度、高靈敏度和超高壓力分辨率仍然充滿挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這一難題，人們開(kāi)始探索離電子式壓力傳感器的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，河北工業(yè)大學(xué)李鐵軍教授團(tuán)隊(duì)和美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)程寰宇助理教授等研究人員共同提出一種集成超薄離子層的可編程微結(jié)構(gòu)制造方法，基于此方法優(yōu)化的離電子式壓力傳感器在1700 kPa線性范圍內(nèi)靈敏度高達(dá)33.7 kPa?1，檢測(cè)限為0.36 Pa，在2000 kPa下的壓力分辨率為0.00725%。該傳感器具備快速響應(yīng)/恢復(fù)特性以及出色的可重復(fù)性，可應(yīng)用于細(xì)微脈沖檢測(cè)、交互式機(jī)械手和超高分辨率智能體重秤/椅子。這項(xiàng)研究工作提出的制造方法和設(shè)計(jì)工具包還可以用于靈活調(diào)整壓力傳感器性能，以適應(yīng)不同的目標(biāo)應(yīng)用，為創(chuàng)建其它離電子式傳感器開(kāi)辟新的道路。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊。
本研究提出的離電子式壓力傳感器
在這項(xiàng)研究工作中，研究人員探討了利用具有高斯光束的CO?激光器來(lái)制造可編程梯度錐體微結(jié)構(gòu)（GPM），以實(shí)現(xiàn)高性能的柔性離電子式壓力傳感器，與光刻相比，該制造方法降低了成本和工藝復(fù)雜性。梯度陣列中每個(gè)錐體外形和高度都可以單獨(dú)調(diào)整和優(yōu)化，以在壓力增加時(shí)提供均勻的變形。可編程微結(jié)構(gòu)和超薄離子液體（IL）層的結(jié)合使得離子凝膠/電極界面形成雙電層（EDL），通過(guò)調(diào)制梯度錐體微結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的錐體外形和離子液體濃度，進(jìn)一步提高了壓力傳感性能，使其在高達(dá)1700 kPa的超寬線性傳感范圍內(nèi)表現(xiàn)出高靈敏度（33.7 kPa?1）和優(yōu)異的線性度（0.99）。此外，梯度錐體微結(jié)構(gòu)表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)為傳感器提供了最小的初始接觸面積，使其可以在無(wú)壓力預(yù)載下檢測(cè)0.36 Pa的超低壓力，在壓力預(yù)載為2000 Pa時(shí)檢測(cè)145 Pa的微小壓力變化，從而獲得0.00725%的超高壓分辨率。
基于梯度錐體微結(jié)構(gòu)的離電子式壓力傳感器的設(shè)計(jì)與表征
基于調(diào)制雙電層（EDL）效應(yīng)增強(qiáng)壓力傳感性能
離電子式壓力傳感器的壓力傳感性能表征（離子濃度為50 wt%）
該離電子式壓力傳感器具有獨(dú)特的定位特性，可以檢測(cè)指尖的細(xì)微脈沖和微小壓力變化，并與智能人機(jī)交互控制系統(tǒng)集成。研究人員通過(guò)在人機(jī)交互指尖脈沖監(jiān)測(cè)、具有超高壓力分辨率的高性能智能椅子、用于靈活操控物體的智能機(jī)械手的概念驗(yàn)證演示中，展示了該高性能柔性離電子式壓力傳感器應(yīng)用于可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、智能假肢皮膚和智能人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)中的前景。
離電子式壓力傳感器在指尖脈沖監(jiān)測(cè)、智能高精度體重秤、人機(jī)交互中的應(yīng)用
研究人員稱，雖然該柔性離電子式壓力傳感器在超寬線性傳感范圍內(nèi)具有高靈敏度，不過(guò)仍有待改進(jìn)之處。例如，通過(guò)增加離子液體的濃度來(lái)提高靈敏度，通過(guò)使用更大的錐體來(lái)擴(kuò)大感應(yīng)范圍，以獲得更顯著的接觸面積變化；通過(guò)在電極和介電層之間增加氣隙以進(jìn)一步降低檢測(cè)限；此外，鑒于微結(jié)構(gòu)對(duì)電容變化的調(diào)節(jié)作用，也可以通過(guò)調(diào)整微結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)大線性傳感范圍。在未來(lái)的工作中，研究人員將通過(guò)優(yōu)化激光參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，進(jìn)一步提升該傳感器性能。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-38274-2
延伸閱讀：
《可穿戴技術(shù)及市場(chǎng)-2023版》
《可穿戴傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
《印刷和柔性傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2021版》
《Merit Sensor壓力傳感器及MEMS芯片分析》
