基于多级微结构的柔性压力传感器：电极配置与阵列技术

《Journal of Materials Chemistry C》：Flexible pressure sensors based on a multilevel microstructure: electrode configurations and array technologies

柔性压力传感器通过仿生学设计竹叶多级微结构，采用石墨烯纳米片薄膜与PDMS基体制备，对比垂直于平面（NP）和面内（IP）电极结构性能，NP传感器灵敏度达16.18 kPa-1（0.136-6 kPa），IP传感器在3-60 kPa范围内灵敏度更优且稳定性高，并成功开发阵列化检测电路及信号映射软件。

　　

随着智能可穿戴设备、医疗电子设备和机器人技术的发展，作为核心传感组件的柔性压力传感器展现了广泛的应用前景。受到仿生学的启发，我们发现Indocalamus植物的叶片微观结构具有层次分布特性，在压力作用下能够承受更长时间的变形，有望提高设备在更宽压力范围内的灵敏度。通过将这种微观结构复制到柔性PDMS基底上，并使用石墨烯纳米片（GNP）薄膜作为功能层，制备出了柔性压阻式压力传感器。为了最大化微观结构的优化效果以及GNP的压敏性能，我们研究并比较了两种基于不同电极结构的压力传感器：一种电极垂直于GNP薄膜平面（NP型），另一种电极平行于薄膜平面（IP型）。NP型传感器具有高灵敏度和较窄的压力检测范围，其灵敏度分别达到16.18 kPa^?1（0.136–6 kPa）和11.48 kPa^?1（6–17 kPa）。而IP型传感器在综合性能上表现更优，灵敏度分别为1.23 kPa^?1（3–16 kPa）、3.88 kPa^?1（16–40 kPa）和8.41 kPa^?1（40–60 kPa），同时稳定性也更高。基于这两种结构，我们设计了两种电极阵列，并采用坑补偿方法实现了微观结构的阵列化复制，从而制备出了压力传感器阵列。此外，还设计并开发了阵列式电压信号检测电路和压力信号映射软件，以实现传感器阵列的分布式压力检测功能。