觸覺感知是一種基本能力，使生物體能夠感知和響應(yīng)機械刺激，從而與環(huán)境進行復(fù)雜的相互作用。人體皮膚配備了專門的機械感受器，可以檢測到從輕微振動到持續(xù)壓力的各種力，從而實現(xiàn)精確的物體操縱和感官反饋。這種特殊的傳感能力是由細胞膜上的離子運輸驅(qū)動的，細胞膜在機械變形時產(chǎn)生電信號，形成生物傳感系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在靜止狀態(tài)下，細胞相對于細胞外環(huán)境保持-40 mV至-80 mV的細胞內(nèi)負電位，這是由離子濃度梯度建立的。當施加機械刺激時，機械感受器膜會變形，觸發(fā)離子通道打開并產(chǎn)生編碼刺激信息的動作電位。復(fù)制這種生物機制的努力使人工觸覺傳感器取得了重大進展，特別是在機器人、人機界面和可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。因此，高分辨率觸覺傳感器與人工智能和機器人的集成實現(xiàn)了更直觀的人機交互。然而，雖然壓電和摩擦電設(shè)備是自供電的，對動態(tài)力反應(yīng)迅速，但它們依賴于電子傳輸，導(dǎo)致與基于生物離子的信號阻抗不匹配。此外，它們的剛性結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致與軟生物表面的模量不匹配，限制了一致性和長期穩(wěn)定性。它們也很難檢測到靜態(tài)力，因為它們的信號產(chǎn)生依賴于瞬態(tài)電荷位移。相比之下，離子電子傳感器利用離子傳輸，模仿生物感覺機制。這實現(xiàn)了無縫的生物電子集成、連續(xù)的靜態(tài)和動態(tài)力檢測以及增強的機械適應(yīng)性。它們?nèi)彳?、靈活和生物相容的特性允許與生物系統(tǒng)進行有效的接口連接，使其非常適合可穿戴生物電子、機器人皮膚和人機界面。

在離子電子設(shè)備中，壓電觸覺傳感器因其高靈敏度和適應(yīng)復(fù)雜表面的能力而脫穎而出，這使得它們在需要精確和連續(xù)力檢測的應(yīng)用中特別有利。壓電效應(yīng)發(fā)生在機械應(yīng)力誘導(dǎo)離子運動的地方，由于離子遷移率的差異導(dǎo)致電荷不平衡。這種機制涉及離子的選擇性傳輸，當一種離子優(yōu)先于其抗衡離子移動時，會產(chǎn)生極化，從而產(chǎn)生凈電荷不平衡。這種機制類似于在生物細胞膜中觀察到的Donnan電位，提供了連續(xù)、自供電傳感的優(yōu)勢，而不需要外部電源。與其他自供電傳感機制不同，如壓電和摩擦電效應(yīng)，它們只在瞬時機械刺激下產(chǎn)生電信號，壓電傳感器可以使用自發(fā)電能連續(xù)檢測動態(tài)力和靜態(tài)環(huán)境變化。它們產(chǎn)生自供電信號、檢測負載方向以及對靜態(tài)和動態(tài)刺激做出響應(yīng)的能力在各種應(yīng)用中都具有獨特的優(yōu)勢。然而，目前的壓電離子電子設(shè)備受到緩慢的離子傳輸動力學(xué)和相對較低的靈敏度的限制。

本文亮點

1. 本工作提出了一種多層壓電離子傳感器，該傳感器結(jié)合了帶正電和帶負電的表面層，以產(chǎn)生受控的電荷梯度。這種設(shè)計增強了離子遷移率，降低了離子對之間的結(jié)合能，加速了電荷再分配，從而顯著提高了傳感性能。

2. 所提出的傳感器實現(xiàn)了1.2 μA的增強輸出電流和19 ms的快速響應(yīng)時間，與單層設(shè)計相比，具有優(yōu)越的傳感性能。

3. 該傳感器有效地檢測靜態(tài)和動態(tài)力，包括用于表面紋理檢測的振動刺激，并通過區(qū)分方向和強度來實現(xiàn)氣流映射。

圖文解析

圖1. 具有P-N帶電層的多層壓電傳感器的設(shè)計原理和特性。（a）顯示磷脂排列和由此產(chǎn)生的膜電位分布的生物脂質(zhì)雙層圖。（b）仿生P-N帶電層結(jié)構(gòu)，顯示界面處的離子分布和雙電層（EDL）形成。（c）展示帶電層和可移動離子（EMIM+和TFSI-）之間靜電相互作用的操作機制，在機械刺激下增強離子解離。（d）電流響應(yīng)比較，顯示多層結(jié)構(gòu)在雙向彎曲變形下的靈敏度提高了約3倍。（e）橫截面SEM圖像和EDS圖，顯示了PSS中Na+和PDDA層中Cl-的明顯三層結(jié)構(gòu)（比例尺：10 μm）。（f）開路電壓測量，顯示多層器件與單層配置相比的固有電位差（約40 mV）。

圖2. 多層壓電傳感器中的表面電勢分析和離子分布特征。（a）PDDA（頂部）和PSS（底部）薄膜的表面電勢圖，顯示了它們不同的電荷特性。（b）PDDA基板上不同厚度的活性層的FT-IR光譜，顯示TFSI-濃度隨離界面距離的變化。（c）PDDA界面附近的離子分布示意圖，描繪了由靜電相互作用形成的EMIM+主導(dǎo)區(qū)域。（d）PSS基板上不同厚度的活性層的FT-IR光譜，表明離子分布穩(wěn)定。（e）PSS界面附近離子分布的示意圖，顯示了TFSI-主導(dǎo)區(qū)域。（f）基于DFT的結(jié)合能計算，用于（i）TFSI-–EMIM+離子對（3.22 eV），（ii）PDDA-TFSI-–EMIM+相互作用（1.13 eV）和（iii）PSS-EMIM+–TFSI-相互作用（0.75 eV），證明帶電層附近的結(jié)合能降低。

圖3. 多層傳感器的壓電傳感能力。（a）不同彎曲狀態(tài)下傳感器中的離子分布示意圖：（i）無刺激的平衡，（ii）向右彎曲，（iii）向左彎曲。（b）電信號響應(yīng)，顯示定向彎曲循環(huán)下的電壓和電流輸出。（c）5°至60°彎曲角度的電壓和電流響應(yīng)。（d）不同離子含量（5-20wt%）的阻抗特性，顯示電荷弛豫頻率的變化。（e）時間響應(yīng)時間分析，顯示優(yōu)化的19ms響應(yīng)時間。（f）表面紋理識別，通過短時傅里葉變換光譜模式區(qū)分不同粗糙度的砂紙（i–v樣品）。（g）循環(huán)穩(wěn)定性試驗，顯示5000次彎曲循環(huán)的一致性能。

圖4. 單層和多層傳感器壓電性能的比較。（a）單層傳感器在彎曲變形（5°、30°和60°）下的電流響應(yīng)。（b）用于在具有梯度粗糙度的表面上進行粗糙表面掃描的單層傳感器的STFT光譜圖案。（c）多層傳感器在彎曲變形（5°、30°和60°）下的電流響應(yīng)，以及（d）單層傳感器在具有梯度粗糙度的表面上進行粗糙表面掃描的STFT光譜圖。色階條指示STFT強度級別。（e）單層傳感器的奈奎斯特圖，顯示了體膜和EDL特性。（f）單層配置中離子分布的示意圖。（g）單層傳感器的等效電路模型。（h）修改了多層傳感器的等效電路模型，考慮了離子積累效應(yīng)。（i）頻率相關(guān)tan?δ曲線顯示電荷弛豫頻率隨著彎曲變形角度的增加而偏移。（j）松弛時間與彎曲角度之間的關(guān)系。

圖5. 多層壓電傳感器的聲音檢測和氣流傳感能力。（a）比較壓電傳感器和用于錄制莫扎特《費加羅序曲的婚禮》的商用麥克風之間的聲音檢測的頻譜。揚聲器聲音的聲壓級為40-80dB。（b）語音識別能力，顯示波形和相應(yīng)的頻譜，根據(jù)頻率分布區(qū)分男性和女性語音成分。（c）氣流方向傳感性能，顯示對應(yīng)于不同流向的相反峰值的電流響應(yīng)。（d）氣流速率傳感性能，顯示傳感器在增加氣流速率下的彎曲和相應(yīng)的電流信號（i–vi連續(xù)圖像）。（e）八角形傳感器陣列設(shè)計，使風向標應(yīng)用成為可能。（f）定量氣流測量能力，在不同壓力水平下以高精度顯示一致的傳感器響應(yīng)。

來源：柔性傳感及器件