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)同時實現(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)對這一難題，人們開始探索離電子式壓力傳感器的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，河北工業(yè)大學(xué)李鐵軍教授團隊和美國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33.7 kPa?1，檢測限為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)用于細微脈沖檢測、交互式機械手和超高分辨率智能體重秤/椅子。這項研究工作提出的制造方法和設(shè)計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?激光器來制造可編程梯度錐體微結(jié)構(gòu)（GPM），以實現(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。梯度陣列中每個錐體外形和高度都可以單獨調(diào)整和優(yōu)化，以在壓力增加時提供均勻的變形。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，進一步提高了壓力傳感性能，使其在高達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，使其可以在無壓力預(yù)載下檢測0.36 Pa的超低壓力，在壓力預(yù)載為2000 Pa時檢測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)計與表征

基于調(diào)制雙電層（EDL）效應(yīng)增強壓力傳感性能

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特的定位特性，可以檢測指尖的細微脈沖和微小壓力變化，并與智能人機交互控制系統(tǒng)集成。研究人員通過在人機交互指尖脈沖監(jiān)測、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械手的概念驗證演示中，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)測設(shè)備、智能假肢皮膚和智能人機協(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、智能高精度體重秤、人機交互中的應(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，不過仍有待改進之處。例如，通過增加離子液體的濃度來提高靈敏度，通過使用更大的錐體來擴大感應(yīng)范圍，以獲得更顯著的接觸面積變化；通過在電極和介電層之間增加氣隙以進一步降低檢測限；此外，鑒于微結(jié)構(gòu)對電容變化的調(diào)節(jié)作用，也可以通過調(diào)整微結(jié)構(gòu)來擴大線性傳感范圍。在未來的工作中，研究人員將通過優(yōu)化激光參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計等，進一步提升該傳感器性能。

審核編輯：湯梓紅