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南科大楊燦輝、王敏《Adv. Mater.》：基于聚電解質(zhì)彈性體的高靈敏、高穩(wěn)定離電式柔性壓力傳感器
2023-12-17  來源：高分子科技

  近期，南方科技大學力學與航空航天工程系楊燦輝團隊與深港微電子學院王敏團隊合作于《先進材料》（Advanced Materials）期刊上發(fā)表題為“Micro-structured polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with high sensitivities and excellent stability for artificial skins”的論文，報道了基于聚電解質(zhì)彈性體的離電式壓力傳感器。該研究通過軟光刻倒模的方法在聚電解質(zhì)彈性體上成功加工微金字塔陣列，并將其成功組裝成壓力傳感器。該傳感器具有高靈敏度和優(yōu)異的穩(wěn)定性，在人機交互、軟體機器人、電子皮膚等領域具有重要的應用價值。


  隨著人工觸覺和人造皮膚領域的發(fā)展，對于柔性壓力傳感器的性能要求（如靈敏度、穩(wěn)定性等）日益提高。其中，離電式傳感器（Ionotronic sensor or iontronic sensor）受到廣泛的關(guān)注，因其具有非常高的靈敏度。離電式傳感器的高靈敏度是由電子導體/離子導體界面上的雙電層電容（EDL）帶來的。然而，現(xiàn)有的離電式傳感器具有易揮發(fā)、泄漏的液體成分，導致其穩(wěn)定性差。同時，對于易泄露的離子液體，其對于人體健康有潛在的隱患，這對離電式傳感器在可穿戴器件上的應用受到了極大的限制。因此，設計兼具高靈敏度、高穩(wěn)定性的無液體成分的離電式傳感器對于人造皮膚以及可穿戴器件的相關(guān)應用至關(guān)重要。


  鑒于此，南方科技大學力學與航空航天工程系楊燦輝團隊與深港微電子學院王敏團隊合作，利用硅基軟光刻技術(shù)，制造了具有金字塔陣列微結(jié)構(gòu)無液體成分的聚電解質(zhì)彈性體（polyelectrolyte elastomer, PEE），并將其組裝成離電式壓力傳感器。研究人員將可聚合的聚電解質(zhì)單體與中性單體共聚，并且調(diào)節(jié)材料的交聯(lián)密度，以此調(diào)節(jié)和平衡PEE的力學和電學性能。合成的PEE具有良好的可拉伸性、抗疲勞性、離子導電性以及環(huán)境穩(wěn)定性。利用微結(jié)構(gòu)PEE組裝出的離電式傳感器實現(xiàn)了69.6 kPa-1的高靈敏度、1 MPa量級的高檢測上限、~6 ms的快速響應/恢復速度以及在靜態(tài)載荷（100 kPa, 4000 s）和動態(tài)載荷（300 kPa/20%應變, 1000周期）下的優(yōu)異穩(wěn)定性。值得注意的是，該傳感器在 500 kPa 的高壓下仍保持 4.96 kPa-1的高靈敏度。同時，研究人員展示了離電式傳感器作為可穿戴鍵盤和機械臂的可穿戴準連續(xù)控制器的應用。這種高性能離電式傳感器在可穿戴電子產(chǎn)品和系統(tǒng)中具有巨大潛力。 


圖1 離電式傳感器的原理、材料以及制備工藝。


  如圖1，基于離電式傳感器的基本原理（圖1a-c），研究人員利用硅基光刻的方法（圖1e），成功加工出了具有金字塔陣列微腔的硅模板（圖1f），將其倒模，制備了具有金字塔陣列微結(jié)構(gòu)的聚電解質(zhì)彈性體（PEE）（圖1g），并將其組裝成離電式傳感器（圖1h）。其中使用的PEE的高分子網(wǎng)絡中含有固定的陰離子網(wǎng)絡以及可以移動的陽離子，無液體成分，具有抗離子泄露的特性。 


圖2 聚電解質(zhì)彈性體的力學、電學性能及其優(yōu)化。


  如圖2，研究人員通過調(diào)整和優(yōu)化PEE網(wǎng)絡的交聯(lián)密度，即交聯(lián)劑1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）與PEE單體的摩爾比，來平衡聚電解質(zhì)彈性體的力電性能，如彈性模量（圖2b）、斷裂應變及材料強度（圖2c）、粘接強度（圖2e），離子導電性（圖2g）。圖2h展示了材料的優(yōu)化結(jié)果，并展示了當HDDA對單體的摩爾比為1.5%時，材料具有平衡的力電性能。同時，優(yōu)化后的PEE在空氣下具有良好的抗泄漏特性，體現(xiàn)為在持續(xù)受壓一周下質(zhì)量幾乎不變和完全無液體成分泄漏（圖2i）。此外，研究人員展示了PEE具有抗蠕變（圖2j），抗疲勞（圖2k-l）特性。 


圖3 離電式傳感器的性能。


  如圖3，研究人員比較了不同的微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)（金字塔大小以及間距）下器件的靈敏度（圖3a-b），在實驗中總結(jié)得到在金字塔底邊為20微米，間距為200微米時，器件具有最高的靈敏度（圖3c）。同時，在這個幾何參數(shù)下，使用了有限元仿真軟件模擬了器件受壓下金字塔的變形情況（圖3d-f）。除了高靈敏度外，該離電式傳感器具有快的響應速度（圖3g）、高的動態(tài)載荷和靜態(tài)載荷穩(wěn)定性（圖3h-i）。對比其他傳統(tǒng)的無泄漏的非離電式傳感器以及有泄漏的離電式傳感器，該離電式傳感器具有優(yōu)異的性能（圖3j-k）。 


圖4 離電式傳感器在可穿戴鍵盤的應用。


  研究人員展示了離電式傳感器在可穿戴鍵盤上的應用。如圖4，離電式電容傳感器的電容值被電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路（CDC）轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，由單片機（MCU）讀取并處理后模擬鍵盤行為輸出到PC終端并顯示（圖4a）。這個系統(tǒng)可以通過電容值識別輕重按壓，以及通過按壓時間識別長按短按（圖4b-c）。該可穿戴鍵盤可以用于控制Live2D卡通人物的動作以及表情（圖4d）。同時，通過合理的編碼（圖4e-f），離電式傳感器可以實現(xiàn)可穿戴的打字功能。這樣的可穿戴鍵盤有機會可以給聾啞患者應用于日常交流。



圖5 離電式傳感器在控制機械手的應用


  此外，得益于該離電式傳感器的大響應范圍（500 kPa 的高壓下仍保持 4.96 kPa-1的高靈敏度），研究人員展示了離電式傳感器可以應用于機械抓手的準連續(xù)控制。如圖5所示，在持續(xù)增大壓力時，機械手依次完成了移動到指定位置、抓持物體、抬升物體到指定高度的動作（圖5c-d）。該應用展示了離電式傳感器在可穿戴控制系統(tǒng)中的應用潛力。

  綜上所述，該工作報道了一種離電式傳感器，其基于無液體成分的PEE，具有高靈敏度和優(yōu)異的穩(wěn)定性。通過優(yōu)化PEE的機械和電氣性能以及微金字塔的幾何參數(shù)，該離電式傳感器實現(xiàn)了69.6 kPa-1的高靈敏度，并且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。此外，該工作展示了傳感器在可穿戴鍵盤以及可穿戴機械臂控制系統(tǒng)上的應用。該離電式傳感器在高性能人造皮膚方面具有巨大的應用潛力。


  該工作近期以“Micro-structured polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with high sensitivities and excellent stability for artificial skins”為題發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。文章的第一作者是南方科技大學力學與航空航天工程系科研助理袁熠明，合作作者包括南方科技大學力學與航空航天工程系2021級本科生劉繽鴻，博士后Mohammad Reza Adibeig博士，博士后薛琪琦博士，南方科技大學深港微電子學院碩士研究生秦楚，碩士研究生孫慶胤，博士研究生金瑛。南方科技大學深港微電子學院王敏副教授和力學與航空航天工程系楊燦輝助理教授為共同通訊作者。南方科技大學為論文唯一單位。本研究得到了深圳市軟材料力學與智造重點實驗室，國家自然科學基金，重點研發(fā)計劃青年科學家等項目支持。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310429

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