我國科學(xué)家研發(fā)具有零待機(jī)功耗的靈活壓阻式壓力傳感器

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近年來，柔性壓力傳感器件因在人機(jī)交互、電子皮膚、智能可穿戴等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而越來越受到產(chǎn)、學(xué)、研界的關(guān)注。然而，當(dāng)傳統(tǒng)的柔性傳感器件應(yīng)用在真實(shí)柔性基底場(chǎng)景中，由于器件彎曲引起的沿著法線方向上的垂直應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生“偽信號(hào)”，因而如何確保終器件性能的可靠與穩(wěn)定性依舊是一項(xiàng)相當(dāng)迫切的需求。此外，實(shí)現(xiàn)更寬動(dòng)態(tài)線性量程的同時(shí)通常會(huì)以犧牲器件靈敏度為代價(jià)，反之亦然，如何通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及材料選擇解決器件靈敏度與動(dòng)態(tài)線性量程范圍之間的平衡問題仍然是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。
 

　　為解決以上問題，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所(籌)光子信息與能源材料研究中心副研究員陳明、研究員楊春雷及其合作者提出了兩種解決方案：基于柔性壓力傳感器件的有限元分析。
 

　　研究人員利用傳統(tǒng)微納加工工藝、真空鍍膜技術(shù)和激光劃線工藝制備出頂部為微圓臺(tái)結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/摻鋁氧化鋅(AZO)、間隔層為光刻膠(PS)和底部叉指電極為聚酰亞胺(PI)/金(Au)的柔性壓力傳感器。所制備的器件擁有高達(dá)2200 kPa-1的靈敏度、寬達(dá)9.6 kPa的動(dòng)態(tài)線性量程范圍，快至低于20 ms的上升和下降響應(yīng)時(shí)間等優(yōu)異性能。研究人員還進(jìn)一步從理論角度闡明了器件在外界壓力作用下的工作機(jī)理和內(nèi)在壓力分布，解釋了PS間隔層中空穴直徑大小、導(dǎo)電層微結(jié)構(gòu)與終器件靈敏度、動(dòng)態(tài)線性量程范圍和靈敏閾值等性能的關(guān)系。
 

　　陳明博士說：“在我們以前的工作中，粗糙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)極大地幫助提高了壓力傳感器的靈敏度。在這項(xiàng)研究中，PDMS / CB和LIG叉指電極的分層結(jié)構(gòu)和足夠的粗糙度被用來提高綜合性能此外，PI隔離層的設(shè)計(jì)使該器件在零壓力下具有零功耗的可能性，”
 

　　這項(xiàng)工作展示了一種通過低成本工藝制造具有綜合性能的柔性壓力傳感器的新方法。
 

　　除此之外，研究人員還設(shè)計(jì)了一種基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳黑(CB)、圖案化的聚酰亞胺(PI)間隔層和激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)叉指電極的高性能，待機(jī)功率損耗為零的柔性壓力傳感器。所制備的柔性壓力傳感器具有高靈敏度(43 kPa-1)、寬線性響應(yīng)范圍(0.4～13.6 kPa)、快速響應(yīng)(<30 ms)、長期循環(huán)穩(wěn)定性(>1800個(gè)周期)和在某些彎曲條件下(彎曲角度：0～5°)還具有待機(jī)零功率損耗等性能。研究人員還在實(shí)驗(yàn)上和理論上研究了PI間隔層的孔徑對(duì)柔性壓力傳感器性能的影響。上述工作由聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生何可、易成漢和碩士研究生侯玉欣等共同協(xié)作完成。