离电子传感纸赋予压力传感器全新“触觉”
2019-03-30 16:01:08   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，纸张作为一种易获取、成本低、绝缘、柔软以及便携的材料，长期以来作为化学和生物传感的灵活平台。例如pH试纸、血糖试纸、早孕检测试纸等都是应用十分广泛的生物化学传感器。

随着这一领域的持续发展，基于纳米技术的纸基传感器有望成为简易、便携、一次性、低功耗且低成本的传感器件，可在医学、爆炸物和有毒物质检测和环境研究等领域得到普遍应用。由于纸质的纤维结构，可以用功能添加剂对它们进行改性，如碳衍生材料（如碳纳米管和石墨烯）、导电聚合物和金属纳米复合材料等，从而产生新的功能和传感模式。

有关使用纸基传感器开发的众多应用的概述，请参阅“纳米技术聚焦”上的报道:《用于检测水中毒素的简单纳米技术纸基传感器》；《印在生物活性纸上的生物传感器》；《基于纳米纸的光学传感器平台》；《低成本的纳米技术纸基气体传感器》；《基于家用纸的可穿戴健康监视器》。

以往报道的压敏纸以及由它们制成的压力传感器主要基于三种现有的传感机制，即电阻式、电容式和摩擦电式。

“最近，我们引入了一种全新的压力传感机制，称为柔性离电子传感（flexible iontronic sensing，FITS）机制，它通过利用电极和离子表面之间的压力来感应电容变化。”加州大学戴维斯分校教授潘挺睿说道，“值得注意的是，与传统的电阻式和电容式传感方式不同，基于独特FITS机制的离电子压力传感器具有极高的灵敏度和分辨率，而寄生噪声在很大程度上可以忽略不计，因为它的信噪比极高。”

a）离电子压力传感纸（ISP）器件的压力响应机制，其中纤维状离子作为离子区域，导电纤维作为导电区域；b）ISP离子区的扫描电子显微镜（SEM）图像；c）离子液体和聚合物基的分子结构说明；d）制备具有“三明治”结构的ISP器件：i）在离子纸上面打印顶部电极；ii）在离子纸的背面打印底部电极；iii）打印粘合图案以整合；iv）折叠以形成“三明治”结构；v）最后进行封装和集成；e）制备具有双层结构的ISP器件：i）在普通纸上打印叉指电极；ii）在设计的区域上打印离子墨水；iii）打印粘合图案以整集成；iv）折叠以形成双层结构；v）最后进行封装和集成。

潘教授和他的合作者在他们的最新论文《一体式离电子传感纸》（发表在《先进功能材料》期刊上）中介绍了一种同时包含离子区域与电极区域的单片离电子纸衬底，可作为一体化柔性传感平台。

潘教授指出：“我们的新型传感纸将离电子感应原理扩展到更具适应性的材料系统，具有直接印刷性、定制可切割性和三维可折叠性，成本低廉，就像普通纸一样。”

现在我们已经可以通过简单的打印、切割、胶合和折叠等纸张特定的操作来构建压力传感平台。由于压力传感器件不再局限于以平面形式构造，所以现在同时也可以用3D压力传感折纸来检测空间压力。

基本上，我们周围的一切和每一个表面都可以用作传感结构，比如在智能玩具、智能包装、健康可穿戴设备、一次性电子产品、壁纸、家具等上，甚至可作为灵活的人机界面。

潘教授说到：“这项技术开创了新的时代，我们所接触到的每样东西都有触觉能力，人们可以通过触摸、按压和拍打与任何物体进行交流，通过视觉、听觉和触觉输入提供全面的人机界面。”

a）通过印刷和折叠来制备ISP折纸手环；b）ISP折纸手环可用于脉搏监测；c）由ISP折纸手环收集的脉搏波信号；d）用压敏键盘制备ISP折纸钢琴；e、f）具有力传感功能的ISP折纸钢琴可以检测压力并控制音量。

不过，目前仍存在一些问题需要解决。例如，互连问题：即纸电子器件和信号处理系统之间通过导电胶粘合的电流信号互连仍然不稳定。但是，潘教授团队相信可通过低温焊接和特定的纸质FPC（flexible printed circuit，柔性印刷电路）互连槽解决这个问题。

“对于传感器器件的研究不再仅仅是关于传感元件。电源、信号处理和电子电路等都应该考虑在内，这样的集成装置还应当与皮肤、布料等兼容，无论是在形状、模量还是在功能上。”潘教授总结说道。

延伸阅读：

《MEMS压力传感器市场和技术-2018版》

《MEMS压力传感器对比分析-2018版》

《生物MEMS和非侵入式传感器-2018版》