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澳门大学周冰朴助理教授课题组:基于磁场的电介质层微结构调控以实现高灵敏度柔性传感器件
2019-12-12  来源:高分子科技

  近年来,将生理信号转换为电信号以模拟人体复杂的体感系统的电子皮肤,在智能机器人、人机界面、可穿戴设备等各个领域引起了科研界及业界的极大关注。基于电容式的柔性传感器因其具有耗能低、良好稳定性、结构简单等特点,而被认为是一种有望在未来广泛投入使用的技术。目前,大量研究已证明引入表面微结构可明显增强传感器的灵敏度。传统的制备微结构的方法主要依赖于光刻、化学刻蚀、倒模等,其中光刻和化学刻蚀法需要昂贵的仪器和较复杂的化学反应或试剂,而倒模法制备的微结构常受限于模板难以调控。因此,制备一种方法简便、经济高效、可控的微结构来提高电容式压力传感器的灵敏度和线性范围仍然是一个不小的挑战。

  人体皮肤主要由表皮,真皮和皮下组织组成,是人体与外界环境的媒介。其中,从真皮中的毛囊穿过表皮到外部环境的毛发,是重要的外界信息的反馈系统,它通过机械感受器和感觉神经将环境变化的物理信号敏感地传输到大脑神经。受人类毛发皮肤的启发,本文通过一步法固化被磁化的磁性颗粒及聚二甲基硅氧烷(CIP/PDMS)混合物来制备毛发状的微纤毛阵列:即将一定配比的CIP/PDMS混合物旋涂在固化的PDMS衬底上,并利用便携式永磁体的表面磁场进行固化及微结构成型。由于掺杂在PDMS里的磁性CIP颗粒会在磁场的作用下被磁化,因而会沿磁场方向聚集,使得CIP/PDMS混合物最终在重力、磁力和表面张力的共同作用下形成微纤毛阵列。被固化的微纤毛阵列以PDMS为主要基体,因此具有良好的弹性、可弯曲、可拉伸等性能,有望作为电容式传感器的介电层以实现对传感性能的整体优化。

图1(a)人类皮肤的组成和毛发感应机制示意图。(b)电容式压力传感器制备过程。(c)纤毛阵列在外压力下的恢复情况展示。 

  通过对不同制备参数的调控,如CIP/PDMS的厚度、CIP的含量、磁场强度等,该工作系统地研究了MCA的可控形貌,并对MCA的高压稳定性进行了优化。通过COMSOL 软件模拟可知,对于高径比一致的微纤毛(MCA)和微柱(Micropillar array, MPA)阵列,无论是施加相同的竖直压力还是水平剪切力,MCA的位移变化都大于MPA。这是因为MCA的锥状结构,压力聚集在顶部,使得所受压强远大于MPA。文中进一步系统分析了MCA的高度以及衬底厚度等对传感器性能的影响,发现提高MCA的高度和降低衬底厚度可大大提高传感器的灵敏度。经过优化后,所提出的传感器在0-10 kPa的范围内具有0.28 kPa -1的高灵敏度,最大检测范围可达200 kPa(50-200 kPa内的灵敏度为0.02 kPa -1),检测限为2 Pa, 并具有良好的检测稳定性和快速的响应时间。

图2(a)-(b)模拟对相同高径比的MCA和MPA施加相同的水平剪切力和竖直压力下的变形情况。(c)-(d)施加压力前后CIP/PDMS薄膜和MCA介电层的电学性能的变化。(e)不同高度的MCA作为介电层的压力传感性能曲线。(f)-(g)不同衬底厚度的MCA作为介电层的压力传感曲线。(h)优化后的传感器正向施加压力和反向施加压力的压力传感曲线。

  最后,本文基于性能最优的传感器展示了长时间稳定测量压力以及多次循环往复测量压力,证明了该传感器的稳定性及长期可靠工作的潜力。并且,该传感器成功展示了超轻物品的测量、气流监测等,并将其穿戴在志愿者身上展示了声音识别、高压监测(关节弯曲、步行、跳跃等),脉搏监测等实际应用。

图3 (a)肘关节弯曲监测。(b)声音监测。(c)脉搏监测。(d)指关节弯曲监测。(e)运动监测。比如站立、走路、跳跃。

  得益于便捷且经济高效的制造方法以及出色的传感能力,该工作所提出的压力传感器对于可穿戴电子设备,人工智能,交互式机器人以及其他实际领域的未来应用具有深远的意义。相关成果发表于Journal of Materials Chemistry A 上,论文的第一作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院博士生周倩,通讯作者为周冰朴助理教授

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(责任编辑:xu)
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