基于獨特FITS機(jī)制的離電子壓力傳感器具有極高的靈敏度和分辨率

據(jù)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(xué)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(yīng)用十分廣泛的生物化學(xué)傳感器。

隨著這一領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，基于納米技術(shù)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(yī)學(xué)、爆炸物和有毒物質(zhì)檢測和環(huán)境研究等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。由于紙質(zhì)的纖維結(jié)構(gòu)，可以用功能添加劑對它們進(jìn)行改性，如碳衍生材料（如碳納米管和石墨烯）、導(dǎo)電聚合物和金屬納米復(fù)合材料等，從而產(chǎn)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(xiàn)有的傳感機(jī)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(jī)制，稱為柔性離電子傳感（flexible iontronic sensing，F(xiàn)ITS）機(jī)制，它通過利用電極和離子表面之間的壓力來感應(yīng)電容變化。”加州大學(xué)戴維斯分校教授潘挺睿說道，“值得注意的是，與傳統(tǒng)的電阻式和電容式傳感方式不同，基于獨特FITS機(jī)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?！?/p>

a）離電子壓力傳感紙（ISP）器件的壓力響應(yīng)機(jī)制，其中纖維狀離子作為離子區(qū)域，導(dǎo)電纖維作為導(dǎo)電區(qū)域；b）ISP離子區(qū)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(jié)構(gòu)說明；d）制備具有“三明治”結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；v）最后進(jìn)行封裝和集成；e）制備具有雙層結(jié)構(gòu)的ISP器件：i）在普通紙上打印叉指電極；ii）在設(shè)計的區(qū)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(jié)構(gòu)；v）最后進(jìn)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(fā)表在《先進(jìn)功能材料》期刊上）中介紹了一種同時包含離子區(qū)域與電極區(qū)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(yīng)原理擴(kuò)展到更具適應(yīng)性的材料系統(tǒng)，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?！?/p>

現(xiàn)在我們已經(jīng)可以通過簡單的打印、切割、膠合和折疊等紙張?zhí)囟ǖ牟僮鱽順?gòu)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(gòu)造，所以現(xiàn)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(jié)構(gòu)，比如在智能玩具、智能包裝、健康可穿戴設(shè)備、一次性電子產(chǎn)品、壁紙、家具等上，甚至可作為靈活的人機(jī)界面。

潘教授說到：“這項技術(shù)開創(chuàng)了新的時代，我們所接觸到的每樣?xùn)|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(jìn)行交流，通過視覺、聽覺和觸覺輸入提供全面的人機(jī)界面。”

a）通過印刷和折疊來制備ISP折紙手環(huán)；b）ISP折紙手環(huán)可用于脈搏監(jiān)測；c）由ISP折紙手環(huán)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(tǒng)之間通過導(dǎo)電膠粘合的電流信號互連仍然不穩(wěn)定。但是，潘教授團(tuán)隊相信可通過低溫焊接和特定的紙質(zhì)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(guān)于傳感元件。電源、信號處理和電子電路等都應(yīng)該考慮在內(nèi)，這樣的集成裝置還應(yīng)當(dāng)與皮膚、布料等兼容，無論是在形狀、模量還是在功能上?！迸私淌诳偨Y(jié)說道。