南科大杨灿辉、王敏《Adv. Mater.》：基于聚电解质弹性体的高灵敏、高稳定离电式柔性压力传感器

2023-12-17 来源：高分子科技

近期，南方科技大学力学与航空航天工程系杨灿辉团队与深港微电子学院王敏团队合作于《先进材料》（Advanced Materials）期刊上发表题为“Micro-structured polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with high sensitivities and excellent stability for artificial skins”的论文，报道了基于聚电解质弹性体的离电式压力传感器。该研究通过软光刻倒模的方法在聚电解质弹性体上成功加工微金字塔阵列，并将其成功组装成压力传感器。该传感器具有高灵敏度和优异的稳定性，在人机交互、软体机器人、电子皮肤等领域具有重要的应用价值。

随着人工触觉和人造皮肤领域的发展，对于柔性压力传感器的性能要求（如灵敏度、稳定性等）日益提高。其中，离电式传感器（Ionotronic sensor or iontronic sensor）受到广泛的关注，因其具有非常高的灵敏度。离电式传感器的高灵敏度是由电子导体/离子导体界面上的双电层电容（EDL）带来的。然而，现有的离电式传感器具有易挥发、泄漏的液体成分，导致其稳定性差。同时，对于易泄露的离子液体，其对于人体健康有潜在的隐患，这对离电式传感器在可穿戴器件上的应用受到了极大的限制。因此，设计兼具高灵敏度、高稳定性的无液体成分的离电式传感器对于人造皮肤以及可穿戴器件的相关应用至关重要。

鉴于此，南方科技大学力学与航空航天工程系杨灿辉团队与深港微电子学院王敏团队合作，利用硅基软光刻技术，制造了具有金字塔阵列微结构无液体成分的聚电解质弹性体（polyelectrolyte elastomer, PEE），并将其组装成离电式压力传感器。研究人员将可聚合的聚电解质单体与中性单体共聚，并且调节材料的交联密度，以此调节和平衡PEE的力学和电学性能。合成的PEE具有良好的可拉伸性、抗疲劳性、离子导电性以及环境稳定性。利用微结构PEE组装出的离电式传感器实现了69.6 kPa^-1的高灵敏度、1 MPa量级的高检测上限、~6 ms的快速响应/恢复速度以及在静态载荷（100 kPa, 4000 s）和动态载荷（300 kPa/20%应变, 1000周期）下的优异稳定性。值得注意的是，该传感器在 500 kPa 的高压下仍保持 4.96 kPa^-1的高灵敏度。同时，研究人员展示了离电式传感器作为可穿戴键盘和机械臂的可穿戴准连续控制器的应用。这种高性能离电式传感器在可穿戴电子产品和系统中具有巨大潜力。

图1 离电式传感器的原理、材料以及制备工艺。

如图1，基于离电式传感器的基本原理（图1a-c），研究人员利用硅基光刻的方法（图1e），成功加工出了具有金字塔阵列微腔的硅模板（图1f），将其倒模，制备了具有金字塔阵列微结构的聚电解质弹性体（PEE）（图1g），并将其组装成离电式传感器（图1h）。其中使用的PEE的高分子网络中含有固定的阴离子网络以及可以移动的阳离子，无液体成分，具有抗离子泄露的特性。

图2 聚电解质弹性体的力学、电学性能及其优化。

如图2，研究人员通过调整和优化PEE网络的交联密度，即交联剂1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）与PEE单体的摩尔比，来平衡聚电解质弹性体的力电性能，如弹性模量（图2b）、断裂应变及材料强度（图2c）、粘接强度（图2e），离子导电性（图2g）。图2h展示了材料的优化结果，并展示了当HDDA对单体的摩尔比为1.5%时，材料具有平衡的力电性能。同时，优化后的PEE在空气下具有良好的抗泄漏特性，体现为在持续受压一周下质量几乎不变和完全无液体成分泄漏（图2i）。此外，研究人员展示了PEE具有抗蠕变（图2j），抗疲劳（图2k-l）特性。

图3 离电式传感器的性能。

如图3，研究人员比较了不同的微结构几何参数（金字塔大小以及间距）下器件的灵敏度（图3a-b），在实验中总结得到在金字塔底边为20微米，间距为200微米时，器件具有最高的灵敏度（图3c）。同时，在这个几何参数下，使用了有限元仿真软件模拟了器件受压下金字塔的变形情况（图3d-f）。除了高灵敏度外，该离电式传感器具有快的响应速度（图3g）、高的动态载荷和静态载荷稳定性（图3h-i）。对比其他传统的无泄漏的非离电式传感器以及有泄漏的离电式传感器，该离电式传感器具有优异的性能（图3j-k）。

图4 离电式传感器在可穿戴键盘的应用。

研究人员展示了离电式传感器在可穿戴键盘上的应用。如图4，离电式电容传感器的电容值被电容-数字转换电路（CDC）转化成数字量，由单片机（MCU）读取并处理后模拟键盘行为输出到PC终端并显示（图4a）。这个系统可以通过电容值识别轻重按压，以及通过按压时间识别长按短按（图4b-c）。该可穿戴键盘可以用于控制Live2D卡通人物的动作以及表情（图4d）。同时，通过合理的编码（图4e-f），离电式传感器可以实现可穿戴的打字功能。这样的可穿戴键盘有机会可以给聋哑患者应用于日常交流。

图5 离电式传感器在控制机械手的应用

此外，得益于该离电式传感器的大响应范围（500 kPa 的高压下仍保持 4.96 kPa^-1的高灵敏度），研究人员展示了离电式传感器可以应用于机械抓手的准连续控制。如图5所示，在持续增大压力时，机械手依次完成了移动到指定位置、抓持物体、抬升物体到指定高度的动作（图5c-d）。该应用展示了离电式传感器在可穿戴控制系统中的应用潜力。

综上所述，该工作报道了一种离电式传感器，其基于无液体成分的PEE，具有高灵敏度和优异的稳定性。通过优化PEE的机械和电气性能以及微金字塔的几何参数，该离电式传感器实现了69.6 kPa^-1的高灵敏度，并且具有优异的稳定性。此外，该工作展示了传感器在可穿戴键盘以及可穿戴机械臂控制系统上的应用。该离电式传感器在高性能人造皮肤方面具有巨大的应用潜力。

该工作近期以“Micro-structured polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with high sensitivities and excellent stability for artificial skins”为题发表在《Advanced Materials》期刊上。文章的第一作者是南方科技大学力学与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学力学与航空航天工程系2021级本科生刘缤鸿，博士后Mohammad Reza Adibeig博士，博士后薛琪琦博士，南方科技大学深港微电子学院硕士研究生秦楚，硕士研究生孙庆胤，博士研究生金瑛。南方科技大学深港微电子学院王敏副教授和力学与航空航天工程系杨灿辉助理教授为共同通讯作者。南方科技大学为论文唯一单位。本研究得到了深圳市软材料力学与智造重点实验室，国家自然科学基金，重点研发计划青年科学家等项目支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310429

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（责任编辑：xu）

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