基于可编程微结构的离电子式压力传感器

近些年，柔性电容式压力传感器得到了广泛发展，然而在大压力预载下，想要在宽压力范围内同时实现出色的线性度、高灵敏度和超高压力分辨率仍然充满挑战。为了应对这一难题，人们开始探索离电子式压力传感器的各种结构设计。

据麦姆斯咨询报道，近期，河北工业大学李铁军教授团队和美国宾夕法尼亚州立大学程寰宇助理教授等研究人员共同提出一种集成超薄离子层的可编程微结构制造方法，基于此方法优化的离电子式压力传感器在1700 kPa线性范围内灵敏度高达33.7 kPa⁻¹，检测限为0.36 Pa，在2000 kPa下的压力分辨率为0.00725%。该传感器具备快速响应/恢复特性以及出色的可重复性，可应用于细微脉冲检测、交互式机械手和超高分辨率智能体重秤/椅子。这项研究工作提出的制造方法和设计工具包还可以用于灵活调整压力传感器性能，以适应不同的目标应用，为创建其它离电子式传感器开辟新的道路。相关研究成果已发表于Nature Communications期刊。

本研究提出的离电子式压力传感器

在这项研究工作中，研究人员探讨了利用具有高斯光束的CO₂激光器来制造可编程梯度锥体微结构（GPM），以实现高性能的柔性离电子式压力传感器，与光刻相比，该制造方法降低了成本和工艺复杂性。梯度阵列中每个锥体外形和高度都可以单独调整和优化，以在压力增加时提供均匀的变形。可编程微结构和超薄离子液体（IL）层的结合使得离子凝胶/电极界面形成双电层（EDL），通过调制梯度锥体微结构单元内的锥体外形和离子液体浓度，进一步提高了压力传感性能，使其在高达1700 kPa的超宽线性传感范围内表现出高灵敏度（33.7 kPa⁻¹）和优异的线性度（0.99）。此外，梯度锥体微结构表面的精细结构为传感器提供了最小的初始接触面积，使其可以在无压力预载下检测0.36 Pa的超低压力，在压力预载为2000 Pa时检测145 Pa的微小压力变化，从而获得0.00725%的超高压分辨率。

基于梯度锥体微结构的离电子式压力传感器的设计与表征

基于调制双电层（EDL）效应增强压力传感性能

离电子式压力传感器的压力传感性能表征（离子浓度为50 wt%）

该离电子式压力传感器具有独特的定位特性，可以检测指尖的细微脉冲和微小压力变化，并与智能人机交互控制系统集成。研究人员通过在人机交互指尖脉冲监测、具有超高压力分辨率的高性能智能椅子、用于灵活操控物体的智能机械手的概念验证演示中，展示了该高性能柔性离电子式压力传感器应用于可穿戴健康监测设备、智能假肢皮肤和智能人机协作系统中的前景。

离电子式压力传感器在指尖脉冲监测、智能高精度体重秤、人机交互中的应用

研究人员称，虽然该柔性离电子式压力传感器在超宽线性传感范围内具有高灵敏度，不过仍有待改进之处。例如，通过增加离子液体的浓度来提高灵敏度，通过使用更大的锥体来扩大感应范围，以获得更显著的接触面积变化；通过在电极和介电层之间增加气隙以进一步降低检测限；此外，鉴于微结构对电容变化的调节作用，也可以通过调整微结构来扩大线性传感范围。在未来的工作中，研究人员将通过优化激光参数和结构设计等，进一步提升该传感器性能。

审核编辑：汤梓红