【儀表網 研發(fā)快訊】近日，山東大學集成電路學院/未來技術學院錢凱教授團隊在柔性傳感器領域取得新突破，成功開發(fā)出一種能有效解決液體干擾問題的超疏水電容傳感器。相關研究成果以“Liquid Interference Mitigation in Capacitive Sensors Using Cassie-Baxter State based on Superhydrophobic Surfaces”為題，發(fā)表在國際期刊ACS Applied Electronic Materials(影響因子4.3)上。該論文第一作者為集成電路學院本科生肖易霏，共同通訊作者為集成電路學院卓優(yōu)博士后戴子憶，山東大學集成電路學院為第一完成單位。
隨著人機交互和工業(yè)4.0技術的快速發(fā)展，柔性電容傳感器已成為智能穿戴設備、人形機器人皮膚和工業(yè)自動化系統(tǒng)等領域的關鍵技術。然而，這些傳感器面臨一個根本性挑戰(zhàn)：液體干擾。傳統(tǒng)電容式傳感器極易受外部液體干擾，水與傳感器介電材料之間的巨大介電對比度(水約為80.4，常規(guī)介電材料接近1.0)導致信號嚴重失真。此外，在高濕度、有液體飛濺或腐蝕性環(huán)境等復雜現實場景中，傳感器的可靠性大幅下降，限制了其在安全關鍵領域的應用。傳統(tǒng)解決方案主要依賴封裝技術，從物理層面隔離傳感元件與環(huán)境。然而，這種方法不僅會犧牲傳感器的柔性和靈敏度，增加生產成本和工藝復雜度，還難以解決長期使用中的液體滲透問題。一旦濕氣通過表面微小缺陷滲入密封環(huán)境，臨時干擾就會轉變?yōu)槌掷m(xù)的信號失真。本研究通過一種簡便的噴涂策略，在電容傳感器介電層表面涂覆改性二氧化硅納米顆粒，成功實現了超疏水表面，使其接觸角超過150°，滾動角低于10°。這種表面處理在傳感器與液體之間形成了穩(wěn)定的Cassie-Baxter狀態(tài)，顯著減少了液體與傳感器的接觸面積。該設計實現了兩種高效的液體去除機制：主動去除機制(通過傾斜實現液滴快速脫離)和被動去除機制(通過傳感器正常工作時的壓縮-釋放過程排出液體)。更重要的是，這種表面處理技術展現出了廣譜的液體抵抗能力，能夠有效應對從純水到酸堿溶液、鹽水，甚至各種日常飲料等不同液體。以圓頂陣列結構為例，該傳感器具有可靠的壓力傳感性能，檢測范圍為0-3 MPa，在低壓區(qū)(3.601×10-2kPa-1)具有較高的靈敏度。這種方法通過可穿戴運動檢測，在潮濕環(huán)境、工業(yè)環(huán)境(包括包括酸，堿，鹽霧暴露)條件下可以實現電容應變傳感保持穩(wěn)定，以及通過可靠的摩斯電碼識別實現人機界面，已成功展示了實際應用。
錢凱教授團隊長期致力于智能柔性“感-存-算一體化”電子器件研究，涵蓋憶阻器存儲/類腦神經芯片、集成電路封裝、透明可穿戴電極以及醫(yī)療健康監(jiān)測等研究領域，此次突破為柔性電子器件在復雜環(huán)境中的應用開辟了新途徑。
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