1、导读
柔性压力传感器是可穿戴电子中感知外部机械刺激的基本功能单元。在单一压力传感器件框架内实现灵敏度和响应阈值的可调配置，可显著提升器件在不同应用场景中的应用效果。但基于敏感材料微结构调控的常规配置方法难以实现灵敏度和响应阈值间的有效解耦，高灵敏度和宽响应阈值间的固有矛盾始终存在。在这项工作中，电子科技大学研究人员基于柔性离电式压力传感器提出了一种协同结构设计（SSD）策略，通过可定制垫片结构和互锁凝胶微结构的跨尺度协同效应，实现了器件灵敏度和响应阈值的解耦调控。基于优化设计参数的柔性压力传感器灵敏度可达近1500 kPa⁻¹，响应阈值在11 Pa至400 kPa范围内可调。研究人员还展示了基于SSD策略的柔性压力传感器在体态监测、可视化压力感知等应用中的潜力。
2、研究结果
图1 柔性电容式压力传感器的协同结构设计：a 具有SSD设计的柔性压力传感器结构示意图，b 基于SSD的协同调控效应示意图，c 传感器关键结构参数，d 离子凝胶表面形貌的共聚焦显微镜表征结果，e 离子凝胶表面的高度剖面数据，f 基于SSD设计的器件照片。
研究人员在利用离子凝胶作为敏感材料以实现优异的基线灵敏度的基础上，构筑器件垫片结构和离子凝胶的互锁微结构，分别在宏观和微观层面对器件性能进行调控。垫片结构设计的变化可有效调控器件的宏观受力形变行为，从而调节压力的响应阈值。另一方面，离子凝胶表面的粗糙度改变则能够通过对离子凝胶层互锁接触特性的调控诱导敏感材料中应力集中特性，从而实现对灵敏度的精细调控。此外，基于SSD设计的压力传感器件也具备良好的柔韧性。
图2 基于SSD设计的压力传感器件特性配置：a 内垫片结构和外垫片结构示意图，b 内垫片结构器件和外垫片结构器件在压力载荷下的位移分布有限元仿真，c-d 内垫片结构器件和外垫片结构器件的响应特性比较，e-g 采用不同互锁结构的器件结构示意图、有限元仿真和器件响应特性比较。
通过结合力学仿真和实验测试，本工作对比分析了具有内垫片结构和外垫片结构的器件在响应阈值上的差异。由于具有内垫片结构的器件在受到外部正压力时整体发生均匀形变，因此在同等压力下会在器件中产生较具有外垫片结构的器件更大的应力。同时，由于垫片厚度与器件响应阈值之间呈正相关，通过进一步调整垫片结构的几何参数对器件响应阈值进行调控。通过将具有不同表面粗糙度的离子凝胶进行组合，可以构建三种不同的敏感材料互锁结构（无互锁、同质互锁、异质互锁）。从有限元计算结果可以看出，通过构筑不同类型的互锁结构，可使器件展现出不同的灵敏度特性，从而实现器件灵敏度的灵活配置。因此，可基于垫片结构和互锁结构的理性设计，对器件的响应阈值和灵敏度进行协同调控，实现器件敏感特性的按需配置。基于SSD的压力传感器件最大灵敏度可达1478.8 kPa⁻¹，且具备从11.2 Pa到超过400 kPa的可调响应阈值。该器件还表现出良好的性能可重复性，多个器件之间的性能一致性优异。此外，得益于协同结构配置，传感器在200 kPa的条件下经过3000次循环测试后，仍能保持仅1.6 nF的标准偏差。
图3 基于SSD设计的压力传感器的基本传感特性：a 相对电容变化与外加压力载荷的关系，b 不同压力下传感器电容响应的可重复性，c 器件在放置20mg纸片时的电容响应，d 传感器的响应和恢复时间特性，e 变化压力下的相对电容变化，f 200 kPa循环压力下的相对电容变化。
图4 基于SSD的压力传感器用于运动识别：a 压力传感器监测人体运动的示意图，b-c 日常活动和体育运动中传感器的实时电容响应。
图5 利用基于SSD的压力传感阵列实现压力分布可视化：a 传感阵列结构示意图，b 无线压力监测电路的实物图，c 字母“P”、“A”、“D”的压力映射图，d 基于传感阵列的多点触控检测。
研究人员面向体态检测和多点压力可视化应用场景，展示了器件的潜在应用场景。基于SSD的传感器被集成至鞋垫前脚掌区域时，可通过分析前脚掌压力的大小对坐、蹲、站和走等各种人体活动进行区分。基于SSD设计的4×4柔性压力传感阵列可实现对压力面分布的可视化，能够同时监测触摸位置并测量触摸压力的大小。SSD设计不仅确保了检测微小压力的高灵敏度，还通过垫片结构隔离减轻了单元间的串扰效应，保证了触摸位置和压力大小的精确检测。
3、研究结论
在这项工作中，研究人员提出了一种用于柔性压力传感器的协同结构设计，在保证灵敏度的情况下实现了可配置的响应阈值。垫片结构控制传感器的整体变形行为，通过调节垫片的结构参数来调整传感器的应变分布，从而实现可调的响应阈值。同时，在离子凝胶中引入互锁结构可增强电介质中的应力集中效应，从而提升传感器的灵敏度。经SSD优化后的传感器最大灵敏度可达1478.8 kPa⁻¹，且具备从11.2 Pa到超过400 kPa的可调响应阈值，并表现出优异的再现性和耐用性。基于SSD的传感器成功应用于日常和体育活动中的前足压力测量，用于健康监测和运动识别；其传感阵列也可实现对压力的可视化测量。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/fle2.12009
