JMM编辑优选：基于膨胀微球的高灵敏柔性薄膜压力传感器
文章介绍
Ye Wang (王烨), Shengshun Duan (段升顺), Jiachen Liu (刘家辰), Fangzhi Zhao (赵放之), Pinzhen Chen (陈品臻), Qiongfeng Shi (石琼锋), Jun Wu (吴俊)
通讯作者：
- 石琼锋，东南大学
- 吴俊，东南大学
研究背景：
柔性压力传感器是传感器领域的热门话题，可根据传感原理及器件形态分为各种类型。其中基于印刷工艺的压阻式压力传感器结构简单、灵敏度高，并且制备简易、器件轻薄，在各种智能传感领域都有广泛应用。目前压力传感器进展主要集中在功能材料、结构和制备工艺，特别是设计微结构以提升器件灵敏度、减少响应时间。然而，具有微结构的柔性压力传感器灵敏区间窄，且印刷式传感器太薄难以构建微结构，因此传感器在工艺复杂性、高灵敏宽量程及耐用性等方面之间难以权衡。
本文基于膨胀微球的快速回弹特性，结合丝网印刷工艺，制备了一种结构简单且可靠的柔性薄膜压力传感器，能够实现高灵敏宽量程及快速响应，可用于人机交互等智能终端应用。
研究内容：
在这项研究中，报道了一种基于膨胀微球，结合丝网印刷工艺构建敏感层微结构从而制备柔性薄膜压力传感器的设计。基于膨胀微球的可压缩性及快速回弹特性，提高了压力传感器的灵敏度、拓宽了灵敏区间，提升了响应速度，该传感器可用于实时人机交互场景及智能终端应用。
本文通过将PVC与膨胀微球混合，以丝网印刷方式印刷到PET衬底上，高温使微球膨胀后在表面印刷炭黑油墨，与叉指电极贴合封装组成薄膜压力传感器件。该传感器形态轻薄，可贴附于皮肤表面。膨胀后的微球在敏感层内部产生了分布均匀的微孔结构，压力作用下应力均匀分散到微孔中，从而增大了敏感层的压缩形变能力。相比无微结构的敏感层，具有微结构的压力传感器件表现出更高的灵敏度与更宽的响应范围，同时也具备快速响应及良好的可靠性。此外，本文也设计了由传感器、机械臂、MCU及上位机组成的碰撞检测系统，当实验者与机械臂上传感区域碰撞时传感器能即时检测到碰撞信息，从而帮助上位机发出指令控制机械臂进行避让。
图1.薄膜压力传感器制备流程及器件结构示意图
图2. 微球膨胀机理及器件表面形貌
图3. 器件工作机理及传感性能表征
图4. 压力传感器人机交互应用研究
作者介绍
石琼锋 教授
东南大学
- 石琼锋，东南大学教授，博士生导师。博士毕业于新加坡国立大学电子与计算机工程系。博士毕业后在新加坡国立大学开展博士后研究。研究领域主要包括柔性电子、多模态感知、复合能量收集、微机电系统和智能人机系统。在国际知名期刊Nat. Commun., Sci. Adv.等发表论文80余篇，获得一次最佳会议论文奖和一次最佳海报入围奖，论文被引用8000余次。
吴俊 教授
东南大学
- 吴俊，东南大学教授，博士生导师。东南大学电子科学与工程学院副院长，东南大学至善青年学者计划A 层次。博士毕业于东南大学电子科学及工程系，博士毕业后继续在东南大学开展博士后研究。研究领域主要包括皮肤仿生触觉传感器驱动的人机智能界面。在国际知名期刊ACS Nano、Advanced Science、Research.等发表论文50余篇, 获Research 2021年度最佳论文奖。
期刊介绍
- 2022年影响因子：2.3 Citescore：4.3
- Journal of Micromechanics and Microengineering（JMM）是该领域的领军期刊，涵盖了微型机电结构、设备和系统，以及微观力学与微机电的各个方面。JMM专注于制造和集成技术方面的原创性研究，推广新的制造技术及设备。该期刊的研究范围包括微型工程和纳米工程学，涉及物理、化学、电子和生物等领域，也发表关于硅和非硅材料的制造和集成方面的最新研究。