可拉伸的锆钛酸铅钛压电弹性体高通量制造电子皮肤助力低成本、大面积和高密度传感器开发|香港城市大学于欣格团队新进展

由于可穿戴电子设备在健康监测和人机界面中的应用前景广阔，因此在过去的几十年中已经引起了全世界的广泛关注。类似于皮肤的可穿戴电子设备，也称为表皮电子设备，涉及先进的材料科学和结构设计，具有出色的可拉伸性和多功能性，因此可以创建电子皮肤（e-skin）以产生压力感，湿度和温度。在电子皮肤的各种传感功能中，触觉始终是最重要的部分，因为它可以模仿皮肤的基本感觉。迄今为止，已经根据不同的工作原理开发了多种柔性触觉传感器，包括压电性，摩擦电性，压阻性和电容性，但是仍然存在诸多挑战。例如，压阻式和电容式触觉传感器需要外部电源，这使集成变得复杂，并且还可能增加设备的尺寸和重量。对于可穿戴设备和植入式电子设备，基于摩擦电设备的自供电式触觉传感器引起了越来越多的兴趣。然而，由于摩擦电子学中的接触分离工作原理，基于摩擦的柔性触觉传感器的厚度和可拉伸性仍然难以满足电子皮肤的要求。同时，对于基于摩擦电的大规模触觉传感器阵列，信号串扰也是一个挑战。

香港城市大学于欣格教授、杨征保教授、大连理工解兆谦教授、天津大学黄显教授、香港城市大学王钻开教授和北京航天航空大学常凌乾教授联合团队通过实验发现，通过将PZT纳米粒子与PDMS混合，可实现本征可拉伸的压电弹性体，已报导的电子皮肤利用固有可拉伸的压电弹性体作为传感像素，压电弹性体的一步丝网印刷在预先形成的平面电极上，该平面电极涂覆有软基底，从而形成具有高密度感测像素的电子皮肤。与传统的夹层结构PZT传感器相比，面内PZT传感器可使电子皮具有更薄的厚度，更简单的制造工艺和更大的可拉伸性（图1）。

图1  电子皮肤制造过程的示意图

在预清洁的玻璃基板上开始制造，在该基板上旋转铸造的聚甲基丙烯酸甲酯薄层用作牺牲层并形成聚酰亚胺层（PI）通过旋转浇铸将电路和电子设备支撑在顶部。然后，在PI支撑层上通过溅射和光刻技术开发的面内金/铬电极和结构设计的互连用作电极和电路互连。用选择性区域干法蚀刻图案化的金属迹线顶部上的另一个PI层形成电路的封装层。溶解PMMA牺牲层可以剥离PI支撑的软电路，然后将印刷转移到柔软的薄弹性体聚二甲基矽氧烷（PDMS）衬底上。以与PDMS混合的PZT粉末用作压电弹性体传感组件并通过丝网印刷在柔性电路上形成所需的图案。另一PDMS层具有与顶部相同厚度的基材并覆盖了电子器件，极大地提高了机械柔韧性和耐用性。

使用手指动作产生的电压输出，可使电子皮肤充当人机集成的界面。戴着乳胶手套的传感器，可以用人的双手复制具有精确幅度和动作的机械手的各种手势（图2）。

图2   电子皮肤传感器用于多通路人机交互的机械手控制

在这里，压电弹性体不仅为传感器提供了绝佳的选择，而且还为大面积制造提供了可扩展的途径。图c中显示了一个高感测分辨率的实施例，该传感器在2 cm×2 cm的区域中具有100个通道传感器。该实施例包括10×10的传感器阵列，有助于实现每平方厘米25个设备的高密度。批量和功能性压电传感器的产率分别为100％，这可以归因于这项工作中使用的简单处理路线。

图3 高像素多通路的触觉传感电子皮肤

于欣格（Xinge Yu），香港城市大学（CityU）生物医学工程的助理教授。他于2015年在美国西北大学和中国电子科技大学完成了博士学位，研究方向为可印制柔性电子学。2015—2018年，在西北大学生物集成电子中心和伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程从事博士后研究。他的研究专注于开发皮肤集成电子学和生物电子学，并进行了多学科研究以应对实际应用中的挑战，例如具有兼容的物理和化学特性的生物医学电子学以及实时健康监测。课题组主页：https://yu-electronics.com/