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科学家在高灵敏度、大量程柔性电容式力学传感器方面取得进展

日期:2016-10-14

目前,以健康监护、运动管理为代表的可穿戴柔性电子正成为电子产业发展的新兴领域,也成为传感电子材料与器件研究最前沿方向。以柔性电子皮肤为代表的高性能柔性传感器在其中扮演重要角色,是实现柔性电子产品功能智能化、灵敏化的核心部分。电容式力学、应变传感器因其在低的应力应变时能获得高动态响应的能力,成为柔性传感高性能化发展的重点方向之一。但目前基于纳米敏感材料的柔性电容式力学、应变传感器仍面临检测灵敏度低、检测范围窄、响应恢复时间不够快等性能的局限。中国科学院苏州纳米技术及纳米仿生研究所张珽研究员课题组在前期柔性电子皮肤的研究基础上(Advanced Materials, 2014, 26, 1336-1342, Cover; Advanced Materials, 2015,27,1370-1375; Inside Back Cover),针对这一问题,进行了深入而细致的研究。

 

 

上图:以荷叶表面为模板的微结构衬底构筑的柔性电容式传感器;

下图:柔性电容式传感器阵列对大量程力学信号的快速、高灵敏响应性能。

 

研究团队探索发现在提升柔性电容传感器性能的各类方法中,通过介电层微结构设计优化是最有效方法之一,然而微结构复杂制备工艺及其与介电层之间相互匹配关系是需要解决的关键问题。 针对这一难题,该团队向自然界探寻答案,利用荷叶表面存在的天然微结构为仿生模板,实现了柔性衬底表面均匀分布的微结构(Micro-caves),并结合聚苯乙烯(PS)微球和空气介质构筑了微结构化的双介质介电层。通过对表面微结构与聚苯乙烯微球之间尺寸匹配优化,及在受力条件下利用微结构扩张同时实现极距减小、接触面积增加及介电常数改变等多参数的协同变化,从而大大增加了柔性电容式传感器的灵敏度(0.815 kPa?1)、响应时间(38 ms)及响应范围(0-50 N)等,由此构建的柔性传感阵列可实现对触压、扭曲及拉伸等不同力学量的选择性响应。

该工作中以自然界中存在的生物表面为模板构筑三维多孔柔性衬底,不但可以作为一种的普适方法,在改善其他诸如柔性超级电容器及柔性太阳能电池等柔性电子器件性能方面也可得到广泛应用,拓宽了柔性微结构材料研究新思路。相关结果发表于近期的Small( DOI:10.1002/smll.201600760)上。(MaterialsView China)

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