自驱动光电双模全尺度压力传感阵列

北京纳米能源与系统研究所2018-06-25 07:05:03

近年来,随着移动互联网的快速发展,各种智能终端产品引起了人们广泛的关注。智能手环、智能眼镜和智能家具等各种具有传感和驱动功能的互连设备在物联网的帮助下实现了智能化识别和管理。它们不仅成为了一种丰富我们生活的时尚符号,也极大地给我们的生活带来便利。人们也相信这些产品将在未来人机互动、电子皮肤、健康医疗等领域有着新的应用和突破。作为其中一个重要组成部分,压力传感器的个性化设计及其高性能的获取变得尤其重要,以便满足实际应用的需要。尤其器件的压力灵敏度、测量极限以及压力测量范围是决定一个器件实际应用的关键因素。例如,日常生活中的手机的触摸平板,它能感知1 kPa以上的接触,并能够实现轨迹的再现成像。然而,很少有产品或者器件其对应的工作范围可以覆盖日常生活出现的从kPaMPa压强范围。

目前,虽然基于不同物理传导机制包括压阻、电容和压电的新型压力传感器在器件性能上有了重大的成就和突破,但是往往只能在一个有限的测量范围内工作。比如,大多数具有较高压力敏感性的基于压阻或者压电传导的压力传感器,能够探测类似声压、振动等超低的压强(< 1 Pa),但是往往它们的工作范围都比较小,基本收视低于10 kPa。相反,那些基于电容传导的压力传感器往往具有较大的工作范围,但它们的压力敏感性又不如压阻类的器件高。

在最近发表的这项研究中(Advanced Materials, DOI:10.1002/ adma.201605817),中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员同王中林院士合作,基于力致发光现象和摩擦纳米纳米发电机两个不同的物理传感机制,将这两种不同传感机制的模块集成于同一器件,设计并制备了可实现全尺度下的压力测量的自驱动压力传感器阵列器件。同时该器件还具有较高的压力敏感性。通过搭建器件信号处理系统,完成了器件对动态应力的监测、成像和优化。

研究人员基于以上两种不同传感机制的模块,设计并制备了100 × 100分辨率为100 dpi的自驱动高全尺度压力传感器阵列器件,实现了全尺度下压力的测量。通过对起电层PDMS的表面修饰,使器件具有可调节的压力敏感性和可调控测量范围。器件在0.6 kPa200 kPa区间内的压力敏感性为6 MPa-1;在650 kPa30 MPa区间内的压力灵敏度0.037 MPa-1。且器件具有电学和光学两种信号,可以同时实现数字成像模拟和可视化观察。这类全尺度应力测量器件将在数字化、信息化和网络化时代,具有广阔的应用前景,也将为通信、电子商务、电子政务等领域的信息安全提供新思维。