深圳先進院柔性壓力傳感器研究取得系列進展
近年來，柔性壓力傳感器件因在人機交互、電子皮膚、智能可穿戴等領域的廣泛應用而越來越受到產、學、研界的關注。然而，當傳統的柔性傳感器件應用在真實柔性基底場景中，由于器件彎曲引起的沿著法線方向上的垂直應力會產生“偽信號”，因而如何確保最終器件性能的可靠與穩定性依舊是一項相當迫切的需求。此外，實現更寬動態線性量程的同時通常會以犧牲器件靈敏度為代價，反之亦然。如何通過結構的設計以及材料選擇解決器件靈敏度與動態線性量程范圍之間的平衡問題仍然是一個不小的挑戰。為解決以上問題，中國科學院深圳先進技術研究院材料所（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：
研究人員利用傳統微納加工工藝、真空鍍膜技術和激光劃線工藝制備出頂部為微圓臺結構的聚二甲基硅氧烷（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2200 kPa-1的靈敏度、寬達9.6 kPa的動態線性量程范圍，快至低于20 ms的上升和下降響應時間等優異性能。研究人員還進一步從理論角度闡明了器件在外界壓力作用下的工作機理和內在壓力分布，解釋了PS間隔層中空穴直徑大小、導電層微結構與最終器件靈敏度、動態線性量程范圍和靈敏閾值等性能的關系。近日，上述研究成果以"High-performance zero-standby-power-consumption-under-bending pressure sensors for artificial reflex arc"為題發表在知名能源期刊Nano Energy（DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104743）上。
除此之外，研究人員還設計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）間隔層和激光誘導石墨烯（LIG）叉指電極的高性能，待機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），寬線性響應范圍（0.4～13.6 kPa），快速響應（<30 ms）、長期循環穩定性（>1800個周期）和在某些彎曲條件下（彎曲角度：0～5°）還具有待機零功率損耗等性能。研究人員還在實驗上和理論上研究了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"為題發表在美國化學會期刊ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.0c02774，IF=8.456）上。上述工作由聯合培養碩士研究生何可、聯合培養碩士研究生易成漢和正式碩士研究生侯玉欣等共同協作完成。
以上研究得到國家自然科學基金和深圳市基礎研究布局項目等項目的資助支持。
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、人工反射弧在真實場景中應用實物圖
