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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(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：聚電解質(zhì) 彈性體高靈敏高穩(wěn)定柔性壓力傳感器

近期，南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系楊燦輝團(tuán)隊(duì)與深港微電子學(xué)院王敏團(tuán)隊(duì)合作于《先進(jìn)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(bào)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(guò)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(jī)交互、軟體機(jī)器人、電子皮膚等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

隨著人工觸覺(jué)和人造皮膚領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)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(dǎo)體/離子導(dǎo)體界面上的雙電層電容（EDL）帶來(lái)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(dǎo)致其穩(wěn)定性差。同時(shí)，對(duì)于易泄露的離子液體，其對(duì)于人體健康有潛在的隱患，這對(duì)離電式傳感器在可穿戴器件上的應(yīng)用受到了極大的限制。因此，設(shè)計(jì)兼具高靈敏度、高穩(wěn)定性的無(wú)液體成分的離電式傳感器對(duì)于人造皮膚以及可穿戴器件的相關(guān)應(yīng)用至關(guān)重要。

鑒于此，南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系楊燦輝團(tuán)隊(duì)與深港微電子學(xué)院王敏團(tuán)隊(duì)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(wú)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(xué)和電學(xué)性能。合成的PEE具有良好的可拉伸性、抗疲勞性、離子導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了69.6 kPa^-1的高靈敏度、1 MPa量級(jí)的高檢測(cè)上限、~6 ms的快速響應(yīng)/恢復(fù)速度以及在靜態(tài)載荷（100 kPa, 4000 s）和動(dòng)態(tài)載荷（300 kPa/20%應(yīng)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(shí)，研究人員展示了離電式傳感器作為可穿戴鍵盤(pán)和機(jī)械臂的可穿戴準(zhǔn)連續(xù)控制器的應(yīng)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(luò)中含有固定的陰離子網(wǎng)絡(luò)以及可以移動(dòng)的陽(yáng)離子，無(wú)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(xué)、電學(xué)性能及其優(yōu)化。

如圖2，研究人員通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化PEE網(wǎng)絡(luò)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(lái)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(yīng)變及材料強(qiáng)度（圖2c）、粘接強(qiáng)度（圖2e），離子導(dǎo)電性（圖2g）。圖2h展示了材料的優(yōu)化結(jié)果，并展示了當(dāng)HDDA對(duì)單體的摩爾比為1.5%時(shí)，材料具有平衡的力電性能。同時(shí)，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(wú)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(shí)驗(yàn)中總結(jié)得到在金字塔底邊為20微米，間距為200微米時(shí)，器件具有最高的靈敏度（圖3c）。同時(shí)，在這個(gè)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(yīng)速度（圖3g）、高的動(dòng)態(tài)載荷和靜態(tài)載荷穩(wěn)定性（圖3h-i）。對(duì)比其他傳統(tǒng)的無(wú)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(pán)的應(yīng)用。

研究人員展示了離電式傳感器在可穿戴鍵盤(pán)上的應(yīng)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(jī)（MCU）讀取并處理后模擬鍵盤(pán)行為輸出到PC終端并顯示（圖4a）。這個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)電容值識(shí)別輕重按壓，以及通過(guò)按壓時(shí)間識(shí)別長(zhǎng)按短按（圖4b-c）。該可穿戴鍵盤(pán)可以用于控制Live2D卡通人物的動(dòng)作以及表情（圖4d）。同時(shí)，通過(guò)合理的編碼（圖4e-f），離電式傳感器可以實(shí)現(xiàn)可穿戴的打字功能。這樣的可穿戴鍵盤(pán)有機(jī)會(huì)可以給聾啞患者應(yīng)用于日常交流。

圖5 離電式傳感器在控制機(jī)械手的應(yīng)用

此外，得益于該離電式傳感器的大響應(yīng)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(yīng)用于機(jī)械抓手的準(zhǔn)連續(xù)控制。如圖5所示，在持續(xù)增大壓力時(shí)，機(jī)械手依次完成了移動(dòng)到指定位置、抓持物體、抬升物體到指定高度的動(dòng)作（圖5c-d）。該應(yīng)用展示了離電式傳感器在可穿戴控制系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。

綜上所述，該工作報(bào)道了一種離電式傳感器，其基于無(wú)液體成分的PEE，具有高靈敏度和優(yōu)異的穩(wěn)定性。通過(guò)優(yōu)化PEE的機(jī)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(shí)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(pán)以及可穿戴機(jī)械臂控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。該離電式傳感器在高性能人造皮膚方面具有巨大的應(yīng)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(xué)力學(xué)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(xué)力學(xué)與航空航天工程系2021級(jí)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(xué)深港微電子學(xué)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(xué)深港微電子學(xué)院王敏副教授和力學(xué)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(xué)為論文唯一單位。本研究得到了深圳市軟材料力學(xué)與智造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家自然科學(xué)基金，重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家等項(xiàng)目支持。

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

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（責(zé)任編輯：xu）

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