杭(hang)州(zhou)師範(fan)大學(xue)：基於(yu)麥(mai)芒仿生多級結(jie)構的高靈(ling)敏與(yu)寬量(liang)程(cheng)離(li)-電(dian)式壓力傳感(gan)器

電(dian)容(rong)型(xing)柔(rou)性壓力傳感(gan)器在智能(neng)機(ji)器人、可(ke)穿(chuan)戴電(dian)子產品、人機交互(hu)等(deng)領(ling)域(yu)有著(zhe)廣(guang)泛的(de)應用。傳(chuan)統(tong)的電(dian)容(rong)型(xing)壓力傳感(gan)器由於(yu)受介電(dian)層壓縮(suo)性(xing)和單位面(mian)積(ji)電(dian)容(rong)（UAC）的限(xian)制(zhi)，其(qi)靈(ling)敏度和檢(jian)測精度均較(jiao)低。近年來(lai)，由(you)離子凝(ning)膠(jiao)基(ji)介電(dian)層和柔(rou)性(xing)電(dian)極組成(cheng)的電(dian)容(rong)型(xing)離(li)-電(dian)式壓力傳感(gan)器因其(qi)具(ju)有高靈(ling)敏度、高(gao)檢(jian)測精度受到廣(guang)泛關(guan)註。基(ji)於(yu)離-電(dian)式壓力傳感(gan)器的雙(shuang)電(dian)層（EDL）原理，傳(chuan)感(gan)器輸出電(dian)容(rong)信(xin)號(hao)的變化(hua)主要(yao)取決於(yu)其(qi)內(nei)部介電(dian)層/電(dian)極界面(mian)的演(yan)變。因此，對介電(dian)層/電(dian)極層界面(mian)進行(xing)有效(xiao)設計是(shi)獲(huo)得(de)高(gao)性(xing)能離-電(dian)式壓力傳感(gan)器的關(guan)鍵(jian)。除(chu)了優異(yi)的(de)傳感(gan)性(xing)能(neng)外(wai)，光學(xue)透明(ming)度也(ye)是(shi)傳感(gan)器在電(dian)子皮膚(fu)、可穿(chuan)戴電(dian)子產品等應用中(zhong)所必(bi)需的。目前，壓力傳感(gan)器如(ru)何(he)同時具(ju)備(bei)高靈(ling)敏度、寬響(xiang)應量(liang)程(cheng)和良(liang)好(hao)的(de)透明(ming)度仍(reng)然(ran)是(shi)壹個挑戰(zhan)。

基於(yu)此，杭(hang)州(zhou)師範(fan)大學(xue)材料(liao)與(yu)化(hua)學(xue)化(hua)工(gong)學(xue)院朱雨(yu)田(tian)教(jiao)授團(tuan)隊(dui)基(ji)於(yu)麥(mai)芒仿生多級結(jie)構設計開發了壹種(zhong)兼具高(gao)靈(ling)敏和寬量(liang)程(cheng)的(de)離-電(dian)式壓力傳感(gan)器。該麥(mai)芒分(fen)層(ceng)結(jie)構是(shi)利(li)用摩(mo)方(fang)精密(mi) microArch^® S240（精度：10 μm）3D打印(yin)設(she)備(bei)加工(gong)模具(ju)後經(jing)聚乙(yi)烯醇（PVA）/磷酸（H₃PO₄）翻模制(zhi)備(bei)而(er)成(cheng)。

相(xiang)關研(yan)究成(cheng)果以“Highly sensitive and wide-range iontronic pressure sensors with a wheat awn-like hierarchical structure"為題(ti)發表在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。杭(hang)州(zhou)師範(fan)大學(xue)材料(liao)與(yu)化(hua)學(xue)化(hua)工(gong)學(xue)院研(yan)究生王靜為第壹(yi)作(zuo)者，杭(hang)州(zhou)師範(fan)大學(xue)材料(liao)與(yu)化(hua)學(xue)化(hua)工(gong)學(xue)院朱雨(yu)田(tian)教(jiao)授、陳建(jian)聞(wen)副(fu)教(jiao)授為共同通(tong)訊作(zuo)者。

基(ji)於(yu)麥(mai)芒仿生結(jie)構的離-電(dian)式柔性(xing)壓力傳感(gan)器是(shi)由兩(liang)個柔性(xing)透明(ming)電(dian)極層（銀(yin)納米(mi)線（AgNWs）/聚氨酯（TPU）/離(li)子液體（IL））和壹(yi)個具有(you)麥(mai)芒仿生陣(zhen)列(lie)結(jie)構的PVA/H₃PO₄介電(dian)層以“三(san)明(ming)治"結(jie)構組裝形成(cheng)（圖1）。EDL在PVA/H₃PO₄介電(dian)層與(yu)AgNWs/TPU/IL透明電(dian)極層的(de)界面(mian)處(chu)形(xing)成(cheng)。在施(shi)加外(wai)力之(zhi)前(qian)，對於(yu)頂部電(dian)容(rong)器，界面(mian)接觸(chu)只(zhi)發生在PVA/H₃PO₄陣(zhen)列(lie)頂(ding)部與(yu)電(dian)極層之(zhi)間(jian)（圖1d₁）。此時，只(zhi)有(you)少(shao)量(liang)離(li)子被(bei)吸(xi)引(yin)到電(dian)極表面(mian)，因此，EDL電(dian)容(rong)值較(jiao)低(di)。施加外(wai)力後(hou)，PVA/H₃PO₄介電(dian)層中(zhong)的金字塔(ta)向(xiang)同壹方向傾(qing)斜(xie)，導致頂部電(dian)極與(yu)介電(dian)層的(de)界面(mian)接觸(chu)增(zeng)多(duo)（圖1d₂）。同時，AgNWs的(de)導電(dian)網絡(luo)變得更加致密(mi)，底(di)部電(dian)極與(yu)介電(dian)層之(zhi)間(jian)的(de)界面(mian)接觸(chu)更加緊密(mi)。因此，傳感(gan)器的電(dian)容(rong)值隨(sui)著(zhe)介電(dian)層與(yu)電(dian)極界面(mian)接觸(chu)面(mian)積(ji)的(de)增加而(er)顯著(zhu)增(zeng)大。當(dang)施加在傳(chuan)感(gan)器上的(de)壓力進壹步(bu)增(zeng)加時，PVA/H₃PO₄金字塔(ta)繼(ji)續傾斜(xie)，從而(er)導致傳感(gan)器的電(dian)容(rong)持(chi)續增(zeng)加（圖1d₃）。因此，基於(yu)麥(mai)芒仿生結(jie)構的PVA/H₃PO₄介電(dian)層的(de)特(te)別(bie)結(jie)構演(yan)變將賦予該離-電(dian)式柔性(xing)壓力傳感(gan)器高靈(ling)敏度和寬檢(jian)測量(liang)程(cheng)。

圖1. （a）透明(ming)電(dian)極的制(zhi)備(bei)，（b）具有麥(mai)芒仿生結(jie)構介電(dian)層的(de)制(zhi)備(bei)，（c）所制(zhi)備(bei)傳感(gan)器的結(jie)構示(shi)意圖，（d）壓力傳感(gan)器響(xiang)應機制(zhi)示(shi)意圖。

電(dian)極和介電(dian)層的(de)微(wei)觀(guan)形貌對離-電(dian)式柔性(xing)壓力傳感(gan)器的壓力傳感(gan)性(xing)能(neng)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)影響(xiang)。從電(dian)極和介電(dian)層的(de)SEM圖像(xiang)可以看(kan)出，PVA/H₃PO₄介電(dian)層表面(mian)存在(zai)數個向同壹方向傾(qing)斜(xie)的(de)金字塔(ta)狀(zhuang)陣(zhen)列(lie)結(jie)構，與(yu)麥(mai)芒的結(jie)構相(xiang)似(si)。這(zhe)些(xie)金字塔(ta)朝(chao)同壹方向傾(qing)斜(xie)10 °，金字塔(ta)狀(zhuang)結(jie)構寬為300 mm、高為800 mm（圖2a₁, a₂, b₁, b₂）。從電(dian)極的微(wei)觀(guan)掃描圖可以看(kan)到大部分(fen)AgNWs均勻嵌(qian)入TPU基體中(zhong)，少數(shu)AgNWs位於(yu)TPU基體表面(mian)（圖2c₁, c₂）。此外(wai)，AgNWs的直(zhi)徑和長(chang)度分(fen)別(bie)約(yue)為110 nm 和20 mm，所(suo)制(zhi)備(bei)的AgNWs具有(you)大的(de)長徑比，這(zhe)有(you)利(li)於(yu)AgNWs之(zhi)間(jian)相(xiang)互(hu)搭(da)接(jie)形(xing)成(cheng)導電(dian)網絡(luo)。

圖2. （a₁，a₂）PVA/H₃PO₄介電(dian)層的(de)俯(fu)視(shi)SEM圖像(xiang)，（b₁，b₂）PVA/H₃PO₄介電(dian)層截(jie)面(mian)SEM圖像(xiang)，（c₁）AgNWs的SEM圖像(xiang)，（c₂）AgNWs/TPU/IL電(dian)極的SEM圖像(xiang)，（d-f）麥(mai)芒狀PVA/H₃PO₄介電(dian)層加載前(qian)後(hou)形(xing)貌演(yan)變的SEM圖。

將不(bu)同H₃PO₄含(han)量(liang)的(de)PVA/H₃PO₄介電(dian)層定(ding)義(yi)為PVA/H₃PO₄（x），其(qi)中(zhong)x表示(shi)H₃PO₄與(yu)PVA的質量(liang)比(bi)。隨(sui)後，對比了不(bu)同PVA/H₃PO₄(x)介電(dian)層的(de)離(li)-電(dian)式壓力傳感(gan)器在外(wai)加壓力下的相(xiang)對電(dian)容(rong)變化(hua)（ΔC/C₀，ΔC=C-C₀，C為實時電(dian)容(rong)值，C₀為初(chu)始(shi)電(dian)容(rong)值）。當(dang)H₃PO₄與(yu)PVA的比值(zhi)從0.4增加到1.2時，傳(chuan)感(gan)器在1 N負(fu)載(zai)下的ΔC/C₀值(zhi)從18.72增加到81.76 （圖3a-c）。這是(shi)因為當(dang)H₃PO₄與(yu)PVA的比例增加時，介電(dian)層模(mo)量(liang)的(de)降(jiang)低會導致EDL界面(mian)的變形和接(jie)觸(chu)面(mian)積(ji)增(zeng)大。然(ran)而(er)，當(dang)介電(dian)層中(zhong)H₃PO₄含(han)量(liang)進(jin)壹(yi)步增(zeng)加時，傳(chuan)感(gan)器的C₀顯著(zhu)增(zeng)加，導致ΔC降低(di)。因此，傳感(gan)器的ΔC/C₀值(zhi)顯著(zhu)降(jiang)低(di)（圖3d）。

圖3. 基於(yu)PVA/H₃PO₄(0.4)（a）、PVA/H₃PO₄(0.8)（b）、PVA/H₃PO₄(1.2)（c）和PVA/H₃PO₄(1.6)（d）的(de)傳(chuan)感(gan)器在0.1 N、0.5 N和1.0 N負(fu)載(zai)下的(de)相(xiang)對電(dian)容(rong)變化(hua)。

從壓縮(suo)過(guo)程(cheng)中(zhong)傳感(gan)器的ΔC/C₀隨(sui)壓力變化(hua)的演(yan)變曲線(xian)（圖4a）可知(zhi)，由於(yu)介電(dian)層/電(dian)極界面(mian)接觸(chu)面(mian)積(ji)的(de)連續變化(hua)，該壓力傳感(gan)器的有(you)效(xiao)檢(jian)測量(liang)程(cheng)可(ke)達(da)238 kPa，其(qi)靈(ling)敏度在(zai)低(di)壓下高達(da)47.65 kPa^-1。除(chu)了壓力檢(jian)測量(liang)程(cheng)和壓力靈(ling)敏度外(wai)，在循(xun)環(huan)負載下壓力響(xiang)應信(xin)號(hao)的穩(wen)定(ding)性在應(ying)用中(zhong)也(ye)至(zhi)關重(zhong)要(yao)。該傳感(gan)器在小(xiao)壓力（100 Pa）和較(jiao)大壓力（150 kPa）刺激(ji)下(xia)的(de)壓縮(suo)/釋放(fang)循(xun)環(huan)測試中(zhong)均表現出較(jiao)高(gao)的(de)穩(wen)定(ding)性（圖4b, c）。在0.025 N-0.1 N-0.025 N範(fan)圍內(nei)壓縮(suo)/釋放(fang)循(xun)環(huan)測試過(guo)程(cheng)中(zhong)，該傳感(gan)器能夠(gou)精(jing)確(que)地識(shi)別(bie)壓力變化(hua)並(bing)輸出相(xiang)應的(de)電(dian)容(rong)信(xin)號(hao)，而(er)且其(qi)壓力響(xiang)應信(xin)號(hao)的可重(zhong)復性高(gao)（圖4d）。此外(wai)，本(ben)工(gong)作(zuo)還(hai)研(yan)究了不(bu)同加載速率(lv)（3 mm/min、5 mm/min、7 mm/min、9 mm/min）下，傳感(gan)器在0.1 N壓力下的電(dian)容(rong)響(xiang)應信(xin)號(hao)（圖4e）。顯然(ran)，電(dian)容(rong)信(xin)號(hao)與(yu)加載速率(lv)無關，從而(er)進壹(yi)步保(bao)證(zheng)了傳感(gan)器的可(ke)靠(kao)性。該傳感(gan)器的響(xiang)應時間(jian)和恢復時間(jian)分(fen)別(bie)為13 ms 和12 ms （圖4f），明顯低(di)於(yu)人體皮膚(fu)的響(xiang)應/恢復時間(jian)（幾(ji)十到幾百毫秒(miao)）。在(zai)超6000 次(ci)的循環加載測試中(zhong)，該傳感(gan)器電(dian)容(rong)信(xin)號(hao)的振幅(fu)沒有(you)明(ming)顯下(xia)降(jiang)（圖4g），說明該離-電(dian)式壓力傳感(gan)器具有(you)出色(se)的(de)重(zhong)復性、穩(wen)定(ding)性和耐(nai)用性(xing)。

圖4.（a）基於(yu)麥(mai)芒仿生結(jie)構介電(dian)層的(de)傳(chuan)感(gan)器在0 ~ 238.65 kPa壓力範(fan)圍內(nei)的(de)ΔC/C0演(yan)變曲線(xian)，（b）在100 Pa循環加載下(xia)的(de)ΔC/C0演(yan)變曲線(xian)，（c）在100 Pa循環加載下(xia)的(de)ΔC/C0演(yan)變曲線(xian)，（d）在不(bu)同力（0.025 N、0.05 N 和 0.1 N）加載下(xia)的(de)ΔC/C0演(yan)變曲線(xian)，（e）在不(bu)同加載速率(lv)（3、5、7、9 mm/min）下對0.1 N加載下(xia)的(de)ΔC/C0演(yan)變曲線(xian)，（f）離-電(dian)式壓力傳感(gan)器的響(xiang)應/恢復時間(jian)，（g）在(zai)加載壓力為0.05 N、加載速度為5 mm/min條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)6000次循(xun)環試(shi)驗(yan)中(zhong)傳感(gan)器的ΔC/C0演(yan)變曲線(xian)。

圖5.（a）傳感(gan)器對水(shui)滴(di)產生的微(wei)弱壓力刺激(ji)產生的電(dian)容(rong)響(xiang)應信(xin)號(hao)，（b）傳感(gan)器檢(jian)測到的脈沖信(xin)號(hao)，它(ta)清(qing)晰(xi)地(di)顯示(shi)了脈沖信(xin)號(hao)的三個特征波(bo)，（c）傳感(gan)器檢(jian)測的人(ren)體運(yun)動的(de)電(dian)容(rong)響(xiang)應，（d）“sensor"信(xin)息的加密和翻(fan)譯，（e）對“化(hua)學(xue)"盲文信(xin)息的識別(bie)，（f）傳(chuan)感(gan)器陣(zhen)列(lie)的(de)光學(xue)照(zhao)片和圖片，（g）“H"、“Z"、“N"、“U"壓力圖的識(shi)別(bie)。