课题组在Advanced Science发表高透明柔性压力传感器制备新途径

2020-04-17

  

       高透明的柔性压力传感器和柔性电子皮肤不仅能感知外界力学环境,其透光性也让这类器件在智能窗户、隐形机器人、隐形可穿戴设备以及触摸屏等领域有着广阔的应用前景。然而,柔性压力传感器的高透明和高灵敏度往往是“鱼和熊掌”,二者不可得兼。这是因为电子皮肤或柔性压力传感器往往通过构建表面微结构或者多孔结构来提高器件的灵敏度和响应速度。然而,这些微结构的引入会引起剧烈的光散射,从而导致器件不透明。因此,在柔性压力传感器或电子皮肤中如何平衡高灵敏度和高透光性是一个很大的挑战。

       近日,南方科技大学郭传飞副教授研究团队通过在多孔聚偏氟乙烯(PVDF)介电膜中填入与之光学参数相匹配的离子液体方式,制备了高灵敏度、高透光度的柔性电容型压力传感器,解决了微结构型柔性电子皮肤和柔性压力传感器中灵敏度和透光度不可得兼的普遍难题。目前该工作以“Highly Transparent and Flexible Iontronic Pressure Sensors Based on An Opaque to Transparent Transition”为题在线发表在综合类期刊《Advanced Science》上。

       该工作中,研究人员将多孔PVDF膜浸泡到与其折射率相同的离子液体中,这种完全不透明的材料瞬间变得比普通玻璃还透明,其透光度从0跃升到94.8%。透光度显著提升的原因在于,离子液填充了PVDF膜的空洞后,这种复合膜实际是一种光的均匀介质,从而大幅提升光学透明度。此外,离子液体还能显著降低复合膜的表面粗糙度,抑制空气/复合膜界面光散射,进一步提高透光度。值得注意的是,离子液体还能有效地提高器件的灵敏度。这是因为它能和电极之间形成一层双电层(EDL),其电容密度显著高于普通的电容型传感器。这种通过在多孔结构中填入光学参数匹配的离子导体的方法简单快捷,具有普适性,可以推广到其它多孔材料体系,例如醋酸纤维素、聚乳酸以及聚四氟乙烯等。

图1.柔性透明PVDF/离子液复合膜的制备以及透明度转变机理

       研究人员最终制备了透光度高达90.4%的柔性压力传感器。该传感器的灵敏度达到1.19 kPa−1,能准确分辨出低至0.4 Pa的微弱力信号。该传感器还具有响应速度快的优势,响应速度约为40 ms,与皮肤的响应速度相近。此外,研究人员还对传感器机械稳定性进行了测试,在数千次的重复压缩或弯曲试验后器件仍能保持良好信号的稳定。这种同时具备高透明和高传感性能的柔性压力传感器有望应用于人机界面、可穿戴触摸屏、智能窗户等领域,并在实验中得到了初步验证。

图2.高透明柔性压力传感器在隐身可穿戴触摸屏以及智能窗户中的应用展示

       南方科技大学博士生刘庆先是该工作的第一作者,郭传飞副教授是该工作的通讯作者,共同通讯作者还有南方科技大学计算机系张进助理教授汕头大学/南方科技大学力学系王泉院士。该研究得到了国家自然科学基金、深圳市基础研究学科布局和广东省“珠江人才计划”创新创业团队等项目的支持。同时,该研究工作被高分子科学前沿微信公众号以及Materialsviews所报道。   

新闻报道链接  https://www.materialsviewschina.com/2020/03/43750/

原文链接  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000348