浙江大学杨赓/徐凯臣《Adv. Mater. Technol.》：全印刷多功能柔性传感器用于“接近-温度-压力”三重感知

以万物互联为需求的背景下, 多功能柔性传感器是实现复杂形状设备与人或环境之间智能交互的关键技术。独立、稳定、多样的传感信息为非结构环境下感知、决策提供了数据支持。传统的柔性传感器的功能集成策略难以平衡制备的复杂性和功能的多样性，且时常面临着节点之间相互串扰的问题。

浙江大学机械工程学院杨赓研究员与徐凯臣研究员在《Advanced Materials Technologies》期刊上发表了题为“A Fully Printed Flexible Sensor Sheet for Simultaneous Proximity–Pressure–Temperature Detection”的文章(DOI: 10.1002/admt.202100616)。为了便捷地制备柔性传感器件并集成多种感知功能，该课题组结合全印刷制备工艺与结构设计，依托三层平面的垂直堆叠结构实现了兼具三种独立感知功能的传感阵列，整体上包含4×4个电容式压力传感单体，2×2个电阻式温度传感单体以及1个自电容式接近传感单体。相较于已报道的多功能柔性传感器，该设计的优势体现在以下三方面：一、通过对底部电极层的复用来实现三重功能，在拓宽了感知功能的同时未额外引入复杂、冗余的结构，从而整体上简洁轻薄 (<0.5 mm),可通过全印刷工艺进行快速制备；二、不同的传感信号通过独立的物理量输出，且彼此之间呈现出较低的串扰，为数据分析提供了便利；三、用于成型的材料只包含用作电介质的硅胶和用作电极的金属，因而制备成本较低、有利于大批量生产。该柔性传感器的功能包含了接触式和非接触式传感：在非接触的情景下，可通过底部电极层与外部物体之间的电容耦合效应，在10 cm 以外的距离检测到的手掌的靠近；在接触的情景下，得益于较低的串扰，可清晰地分辨按压的手势，并对冷/热物体有明显的区分。结合接触和非接触传感功能，可以通过该传感器实现类同于事件触发的“双级感知”，即利用非接触传感提前预判外来物体的功能，来唤醒处于非工作状态的接触传感阵列，从而避免后者长期处于耗电状态。相较于每个传感器单体独立分配逻辑电路的方案，利用接近传感器实现事件触发显著减少了电路元件的开销，为降低传感网络的能耗提供了一种新思路。

示意图1 全印刷多功能柔性传感器的功能概览

图1 全印刷多功能柔性传感器的结构、功能图解。a) 传感器的爆炸结构图; b) 底部电极层作为温度传感电阻时的图解; c) 底部电极层作为自电容式接近传感器。

图2 a) 基于全印刷工艺的传感器制备流程; b) 印刷图案在曲面上的展示效果图; 基于点胶制备的电介质的c) 俯视图 和d) 侧视图; e) 印制的银导线和电极的连接处的照片; f) 制备的多功能柔性传感器成品。

图3 全印刷多功能柔性传感器的压力传感性能。a) 相对电容增量随压强的变化曲线; b) 对瞬态压力的响应曲线; c) 循环压强载荷下的传感性能。压强的变化范围是12~40 kPa; 多点压力响应实验的 d) 实验布置和e) 实验结果; f) 温度从45 ℃下降至19 ℃对电容值的影响。

图4 全印刷多功能柔性传感器的温度传感和接近传感性能。a) 温度传感单体的相对电阻增量随温度的变化曲线; b) 对循环变化温度的响应曲线; c) 不同形状的温度传感单体对触摸传热的响应对比; d) 用于标定接近传感性能的实验布置; e) 不同物体接近时，自电容的变化曲线。插图展示了当检测阈值为0.01 pF时对不同物体的最大检测距离。

图5 全印刷多功能柔性传感器的应用演示。a) 温度传感对手指、玻璃棒、呼吸、凉风的响应; b) 用于同时采集所有传感信号的电路连接示意图，其中CDC和RDC分别是可以将电容和电阻转换为数字量的电路组件; c) 压力传感阵列对多点手势的分辨能力演示; d) 结合了接触传感和非接触传感的“双级感知”的过程图解，软件界面实时地将测量值的增量可视化。

相关链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202100616

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