韩国蔚山科学技术院：多层离子电子传感器，具有受控的电荷梯度，可实现高性能、自供电的触觉传感

触觉感知是一种基本能力，使生物体能够感知和响应机械刺激，从而与环境进行复杂的相互作用。人体皮肤配备了专门的机械感受器，可以检测到从轻微振动到持续压力的各种力，从而实现精确的物体操纵和感官反馈。这种特殊的传感能力是由细胞膜上的离子运输驱动的，细胞膜在机械变形时产生电信号，形成生物传感系统的基础。在静止状态下，细胞相对于细胞外环境保持-40 mV至-80 mV的细胞内负电位，这是由离子浓度梯度建立的。当施加机械刺激时，机械感受器膜会变形，触发离子通道打开并产生编码刺激信息的动作电位。复制这种生物机制的努力使人工触觉传感器取得了重大进展，特别是在机器人、人机界面和可穿戴设备中的应用。因此，高分辨率触觉传感器与人工智能和机器人的集成实现了更直观的人机交互。然而，虽然压电和摩擦电设备是自供电的，对动态力反应迅速，但它们依赖于电子传输，导致与基于生物离子的信号阻抗不匹配。此外，它们的刚性结构会导致与软生物表面的模量不匹配，限制了一致性和长期稳定性。它们也很难检测到静态力，因为它们的信号产生依赖于瞬态电荷位移。相比之下，离子电子传感器利用离子传输，模仿生物感觉机制。这实现了无缝的生物电子集成、连续的静态和动态力检测以及增强的机械适应性。它们柔软、灵活和生物相容的特性允许与生物系统进行有效的接口连接，使其非常适合可穿戴生物电子、机器人皮肤和人机界面。

在离子电子设备中，压电触觉传感器因其高灵敏度和适应复杂表面的能力而脱颖而出，这使得它们在需要精确和连续力检测的应用中特别有利。压电效应发生在机械应力诱导离子运动的地方，由于离子迁移率的差异导致电荷不平衡。这种机制涉及离子的选择性传输，当一种离子优先于其抗衡离子移动时，会产生极化，从而产生净电荷不平衡。这种机制类似于在生物细胞膜中观察到的Donnan电位，提供了连续、自供电传感的优势，而不需要外部电源。与其他自供电传感机制不同，如压电和摩擦电效应，它们只在瞬时机械刺激下产生电信号，压电传感器可以使用自发电能连续检测动态力和静态环境变化。它们产生自供电信号、检测负载方向以及对静态和动态刺激做出响应的能力在各种应用中都具有独特的优势。然而，目前的压电离子电子设备受到缓慢的离子传输动力学和相对较低的灵敏度的限制。

本文亮点

1. 本工作提出了一种多层压电离子传感器，该传感器结合了带正电和带负电的表面层，以产生受控的电荷梯度。这种设计增强了离子迁移率，降低了离子对之间的结合能，加速了电荷再分配，从而显著提高了传感性能。

2. 所提出的传感器实现了1.2 μA的增强输出电流和19 ms的快速响应时间，与单层设计相比，具有优越的传感性能。

3. 该传感器有效地检测静态和动态力，包括用于表面纹理检测的振动刺激，并通过区分方向和强度来实现气流映射。

图文解析

图1. 具有P-N带电层的多层压电传感器的设计原理和特性。（a）显示磷脂排列和由此产生的膜电位分布的生物脂质双层图。（b）仿生P-N带电层结构，显示界面处的离子分布和双电层（EDL）形成。（c）展示带电层和可移动离子（EMIM+和TFSI-）之间静电相互作用的操作机制，在机械刺激下增强离子解离。（d）电流响应比较，显示多层结构在双向弯曲变形下的灵敏度提高了约3倍。（e）横截面SEM图像和EDS图，显示了PSS中Na+和PDDA层中Cl-的明显三层结构（比例尺：10 μm）。（f）开路电压测量，显示多层器件与单层配置相比的固有电位差（约40 mV）。

图2. 多层压电传感器中的表面电势分析和离子分布特征。（a）PDDA（顶部）和PSS（底部）薄膜的表面电势图，显示了它们不同的电荷特性。（b）PDDA基板上不同厚度的活性层的FT-IR光谱，显示TFSI-浓度随离界面距离的变化。（c）PDDA界面附近的离子分布示意图，描绘了由静电相互作用形成的EMIM+主导区域。（d）PSS基板上不同厚度的活性层的FT-IR光谱，表明离子分布稳定。（e）PSS界面附近离子分布的示意图，显示了TFSI-主导区域。（f）基于DFT的结合能计算，用于（i）TFSI-–EMIM+离子对（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），证明带电层附近的结合能降低。

图3. 多层传感器的压电传感能力。（a）不同弯曲状态下传感器中的离子分布示意图：（i）无刺激的平衡，（ii）向右弯曲，（iii）向左弯曲。（b）电信号响应，显示定向弯曲循环下的电压和电流输出。（c）5°至60°弯曲角度的电压和电流响应。（d）不同离子含量（5-20wt%）的阻抗特性，显示电荷弛豫频率的变化。（e）时间响应时间分析，显示优化的19ms响应时间。（f）表面纹理识别，通过短时傅里叶变换光谱模式区分不同粗糙度的砂纸（i–v样品）。（g）循环稳定性试验，显示5000次弯曲循环的一致性能。

图4. 单层和多层传感器压电性能的比较。（a）单层传感器在弯曲变形（5°、30°和60°）下的电流响应。（b）用于在具有梯度粗糙度的表面上进行粗糙表面扫描的单层传感器的STFT光谱图案。（c）多层传感器在弯曲变形（5°、30°和60°）下的电流响应，以及（d）单层传感器在具有梯度粗糙度的表面上进行粗糙表面扫描的STFT光谱图。色阶条指示STFT强度级别。（e）单层传感器的奈奎斯特图，显示了体膜和EDL特性。（f）单层配置中离子分布的示意图。（g）单层传感器的等效电路模型。（h）修改了多层传感器的等效电路模型，考虑了离子积累效应。（i）频率相关tan δ曲线显示电荷弛豫频率随着弯曲变形角度的增加而偏移。（j）松弛时间与弯曲角度之间的关系。

图5. 多层压电传感器的声音检测和气流传感能力。（a）比较压电传感器和用于录制莫扎特《费加罗序曲的婚礼》的商用麦克风之间的声音检测的频谱。扬声器声音的声压级为40-80dB。（b）语音识别能力，显示波形和相应的频谱，根据频率分布区分男性和女性语音成分。（c）气流方向传感性能，显示对应于不同流向的相反峰值的电流响应。（d）气流速率传感性能，显示传感器在增加气流速率下的弯曲和相应的电流信号（i–vi连续图像）。（e）八角形传感器阵列设计，使风向标应用成为可能。（f）定量气流测量能力，在不同压力水平下以高精度显示一致的传感器响应。

来源：柔性传感及器件