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離電子傳感紙賦予壓力傳感器全新“觸覺”

2019-04-03 來源:微迷網

據麥姆斯咨詢報道,紙張作為一種易獲取、成本低、絕緣、柔軟以及便攜的材料,長期以來作為化學和生物傳感的靈活平臺。例如pH試紙、血糖試紙、早孕檢測試紙等都是應用十分廣泛的生物化學傳感器

隨著這一領域的持續發展,基于納米技術的紙基傳感器有望成為簡易、便攜、一次性、低功耗且低成本的傳感器件,可在醫學、爆炸物和有毒物質檢測和環境研究等領域得到普遍應用。由于紙質的纖維結構,可以用功能添加劑對它們進行改性,如碳衍生材料(如碳納米管和石墨烯)、導電聚合物和金屬納米復合材料等,從而產生新的功能和傳感模式。

以往報道的壓敏紙以及由它們制成的壓力傳感器主要基于三種現有的傳感機制,即電阻式、電容式和摩擦電式。

“最近,我們引入了一種全新的壓力傳感機制,稱為柔性離電子傳感(flexible iontronic sensing,FITS)機制,它通過利用電極和離子表面之間的壓力來感應電容變化。”加州大學戴維斯分校教授潘挺睿說道,“值得注意的是,與傳統的電阻式和電容式傳感方式不同,基于獨特FITS機制的離電子壓力傳感器具有極高的靈敏度和分辨率,而寄生噪聲在很大程度上可以忽略不計,因為它的信噪比極高。”

離電子傳感紙賦予壓力傳感器全新“觸覺”

a)離電子壓力傳感紙(ISP)器件的壓力響應機制,其中纖維狀離子作為離子區域,導電纖維作為導電區域;b)ISP離子區的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像;c)離子液體和聚合物基的分子結構說明;d)制備具有“三明治”結構的ISP器件:i)在離子紙上面打印頂部電極;ii)在離子紙的背面打印底部電極;iii)打印粘合圖案以整合;iv)折疊以形成“三明治”結構;v)最后進行封裝和集成;e)制備具有雙層結構的ISP器件:i)在普通紙上打印叉指電極;ii)在設計的區域上打印離子墨水;iii)打印粘合圖案以整集成;iv)折疊以形成雙層結構;v)最后進行封裝和集成。

潘教授和他的合作者在他們的最新論文《一體式離電子傳感紙》(發表在《先進功能材料》期刊上)中介紹了一種同時包含離子區域與電極區域的單片離電子紙襯底,可作為一體化柔性傳感平臺。

潘教授指出:“我們的新型傳感紙將離電子感應原理擴展到更具適應性的材料系統,具有直接印刷性、定制可切割性和三維可折疊性,成本低廉,就像普通紙一樣。”

現在我們已經可以通過簡單的打印、切割、膠合和折疊等紙張特定的操作來構建壓力傳感平臺。由于壓力傳感器件不再局限于以平面形式構造,所以現在同時也可以用3D壓力傳感折紙來檢測空間壓力。

基本上,我們周圍的一切和每一個表面都可以用作傳感結構,比如在智能玩具、智能包裝、健康可穿戴設備、一次性電子產品、壁紙、家具等上,甚至可作為靈活的人機界面。

潘教授說到:“這項技術開創了新的時代,我們所接觸到的每樣東西都有觸覺能力,人們可以通過觸摸、按壓和拍打與任何物體進行交流,通過視覺、聽覺和觸覺輸入提供全面的人機界面。”

離電子傳感紙賦予壓力傳感器全新“觸覺”

a)通過印刷和折疊來制備ISP折紙手環;b)ISP折紙手環可用于脈搏監測;c)由ISP折紙手環收集的脈搏波信號;d)用壓敏鍵盤制備ISP折紙鋼琴;e、f)具有力傳感功能的ISP折紙鋼琴可以檢測壓力并控制音量。

不過,目前仍存在一些問題需要解決。例如,互連問題:即紙電子器件和信號處理系統之間通過導電膠粘合的電流信號互連仍然不穩定。但是,潘教授團隊相信可通過低溫焊接和特定的紙質FPC(flexible printed circuit,柔性印刷電路)互連槽解決這個問題。

“對于傳感器器件的研究不再僅僅是關于傳感元件。電源、信號處理和電子電路等都應該考慮在內,這樣的集成裝置還應當與皮膚、布料等兼容,無論是在形狀、模量還是在功能上。”潘教授總結說道


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