综述：软离子触点传感器

MEMS 2025-01-11 00:02

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近日，韩国嘉川大学机械工程系Younghoon Lee教授在Energy & Environmental Materials上发表题为“A Review on Soft Ionic Touch Point Sensors”的综述论文。

亮点

1. 本综述讨论了软离子触点传感器的独特特征，重点讨论了离子材料及其在传感器中的关键作用。触觉传感机理包括压电式、压阻式、表面电容式、摩擦电阻式等。

2. 分析了软离子触摸传感器的实现障碍和未来的研究方向。

研究背景

随着用户界面技术的发展和人机交互需求的增加，触觉传感器市场得到了显著的关注。这些技术使得设备能够无缝地与人类互动，提供了更直观和可靠的操作方式。传统的电阻式和电容式触觉传感器虽然已经广泛应用于各种设备中，但随着可穿戴技术和软体机器人技术的发展，对传感器的灵活性提出了更高的要求。离子材料因其独特的物理和化学特性，如离子导电性和柔软性，成为下一代触觉传感器的有前景的材料。这些材料通常由交联的聚合物链和大量液体（60-95%）组成，能够溶解或包含作为电荷载体的离子。离子材料的这种组合使其在导电性和灵活性方面具有独特的优势，特别适合于触觉传感应用。此外，离子材料如水凝胶、有机凝胶和离子凝胶通常具有与人类皮肤相似的柔软性，使其能够适应变形表面，并在不同的应用中具有高度的适应性。

这篇综述文章详细分析了软离子触点传感器的工作原理，包括压电电容式、压阻式、表面电容式、压电式以及摩擦电和摩擦电阻式传感。特别关注了离子材料在传感器中的关键作用，这些材料的发展推动了这些创新传感器的进步。文章还强调了离子材料在各种应用领域中的潜力，尤其是在需要灵活和适应性解决方案的领域。同时，文章分析了软离子触觉传感器实现的挑战和未来的研究方向，展示了软离子触觉传感器在重塑触觉技术领域的变革潜力。

文章简读

近日，韩国嘉川大学机械工程系Younghoon Lee教授在Energy & Environmental Materials上发表了题“A Review on Soft Ionic Touch Point Sensors”的研究论文。作者着重介绍了关于触点传感器（特别是那些采用离子材料的触点传感器）的里程碑式研究。作者阐述了这些材料的卓越性能及其在触点传感器中的潜在应用。离子材料所具备的独特性质，例如柔韧性、透明度、生物相容性以及自愈能力，拓宽了人机交互应用的范围。然而，就其在日常生活中的实际应用而言，仍存在若干挑战。在这方面，作者针对基于离子材料的触点传感器的可靠性提出了研究方向，重点聚焦三个关键领域：降低对湿度的敏感度、增强回弹性以及抑制不必要的电化学反应。

（1）最小化湿度敏感性：通过封装或使用吸水材料来减少水凝胶在湿度变化下的不稳定性。

（2）增强弹性：通过改进水凝胶的网络结构，提高其在重复形变后的恢复能力。

（3）抑制不必要的电化学反应：使用具有宽电化学窗口的离子材料，以减少在电极和离子材料之间不希望发生的电化学反应。

图文赏析

作者将介绍需要物理输入压力的压电容式传感器。压电容式传感器基本上由导电层夹在中间的介电层组成(图1a)。当对传感器施加压力时，导电层之间的间距减小，导致电容在输入电压下增加(图1b)。基于触摸传感机制，已经有了一些有吸引力的方法，通过在水平和垂直平面上布置几个压电容触摸传感器单元来获得感应触摸点的能力(图1c)。压电容式触摸传感器的基本工作机理是在1973年通过开创性的研究提出的，如图1d所示。将多个传感器横向和纵向连接，测量每个传感器的电容变化，检测接触点(图1e)。2014年推出了一种离子压电容式触点传感器，采用水凝胶作为压电容式传感器的导电层(图1f)。为了赋予触摸点传感能力，将多个传感器单元独立连接到每根导线上。传感器并联连接，然后通过旋转开关连接到电容计(图1g)。由于水凝胶的可拉伸性和高透光性，即使在不阻碍光信号的情况下，它也可以作为附着在皮肤上的设备来确保可穿戴性(图1h)。

图1. a-c)压电容式触点传感器工作机理示意图。a)由离子材料和介电弹性体组成的传感器的初始状态。b)传感器接触时阳离子和阴离子排列。c)多个传感器单元在水平和垂直方向上连接，用于触摸点传感能力。d、e)描述压电容式触摸传感器里程碑式研究的原理图，d)侧视图，e)俯视图。经许可转载。基于离子材料压电容传感机构的触点传感器。f)基于水凝胶的触点传感器原理图。g)传感器电路图。传感器并联连接，并通过旋转开关连接到电容计上。h)安装在人体皮肤上的压电容传感器的照片。由于离子材料的高透明度，来自皮肤的光学信息通过传感器传输。

图2. 压阻式触点传感。a-c)压阻式触点传感器工作机理示意图。a)传感器初始状态由电极、离子材料、电弹性体组成。b)触摸传感器时的电子和离子排列。c)多个传感器单元在水平和垂直方向上连接，用于触摸点传感能力。d、e)压阻式触摸传感器里程碑式研究的示意图，d)侧视图，e)俯视图。f-h)基于压阻式传感机制的离子材料触点传感器。f)基于水凝胶的触点传感器原理图。经许可转载。[89]版权所有，约翰·威利父子公司。g)传感器电路图。h)手套状压阻传感器识别指尖触摸的照片。

文章链接

Gibeom Lee, Donghyun Lee, Gwang-Bum Im, and Younghoon Lee*, A Review on Soft Ionic Touch Point Sensors. Energy Environ. Mater. 2024. DOI: 10.1002/eem2.12794

延伸阅读：

《触觉技术及市场-2024版》
《机器人传感器技术及市场-2022版》
《可穿戴传感器技术及市场-2025版》