柔性壓力傳感器（FPS）是柔性電子設(shè)備的關(guān)鍵組件，如電子皮膚（e-skins）、人機(jī)交互和醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備。根據(jù)工作機(jī)理，壓力傳感器主要分為四種類型：壓阻式、電容式、壓電式、摩擦式。其中，將壓力輸入轉(zhuǎn)換為電阻變化的壓阻式壓力傳感器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、易于制備而引起了更多的關(guān)注。為了提高傳感性能，一些凸微陣列結(jié)構(gòu)（如微錐體、微半球結(jié)構(gòu)、微孔和微柱等）通常設(shè)計(jì)在傳感層或電極上。近年來(lái)，人們提出了一些新型的微觀結(jié)構(gòu)，包括梯度結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)。特別是，這些多級(jí)結(jié)構(gòu)在每個(gè)應(yīng)力區(qū)間都有相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)尺寸，以提供變形和更多的接觸面積，從而擴(kuò)展了壓力傳感器的線性范圍。在壓阻式壓力傳感器領(lǐng)域，靈敏度與傳感層和電極之間的接觸面積變化高度相關(guān)。具有這些多級(jí)結(jié)構(gòu)的壓力傳感器具有較小的初始接觸面積和接觸電阻的多級(jí)變化。簡(jiǎn)而言之，壓力傳感器的性能已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。

集成傳感器通常需要外部設(shè)備來(lái)讀取數(shù)據(jù)和波形，這對(duì)于分析檢測(cè)結(jié)果非常重要。然而，傳統(tǒng)的外部設(shè)備體積龐大，限制了集成傳感器變得更小、更便攜。目前，隨著對(duì)多功能設(shè)備需求的快速增長(zhǎng)，一些研究集中在將視覺(jué)單元與傳感器集成以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而有效地減小傳感系統(tǒng)的尺寸。這些視覺(jué)傳感器的檢測(cè)結(jié)果可以直接用肉眼觀察到，無(wú)需任何其他設(shè)備。電致變色顯示器（ECD）在施加電勢(shì)時(shí)可以改變顏色，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和功耗低，在數(shù)據(jù)可視化方面很受歡迎。它們?cè)试S在沒(méi)有額外設(shè)備的情況下直接觀察檢測(cè)結(jié)果。表S2比較了最近報(bào)道的電致變色集成傳感器的性能。例如，Bao和同事們通過(guò)集成電阻式壓力傳感器和交互式ECD開(kāi)發(fā)了一種可拉伸的設(shè)備，ECD的顏色隨著施加的壓力從深紅色變?yōu)樗{(lán)灰色。郭等人設(shè)計(jì)了一種集成壓力感知和可視化的交互式混合設(shè)備。二合一設(shè)備可以通過(guò)顏色變化定性地描繪不同的狀態(tài)。Bi等人報(bào)道了一種基于壓電致變色的觸感顯示器（PETSD），其中ECD通過(guò)從透明到深藍(lán)色的顏色變化來(lái)顯示手寫圖案。然而，大多數(shù)以前的交互式設(shè)備在壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)出連續(xù)的顏色變化，因此很難識(shí)別多個(gè)壓力水平。裸眼讀數(shù)缺乏空間和色度分辨率，導(dǎo)致數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不準(zhǔn)確和不清晰。因此，通常需要將色度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)值數(shù)據(jù)以供進(jìn)一步分析。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作報(bào)告了一種柔性壓力傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)將壓力傳感器與圖案化的電致變色顯示器相結(jié)合。壓力傳感層具有凸形平行線微陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是通過(guò)直接油墨書(shū)寫（DIW）印刷技術(shù)構(gòu)建的。

2. 每個(gè)微陣列單元中的多層微結(jié)構(gòu)使我們的傳感器具有20.25 kPa-1的高靈敏度、高達(dá)35 kPa的寬線性響應(yīng)范圍以及出色的耐用性（約5000次循環(huán)）。

3. 電致變色顯示器設(shè)計(jì)為通過(guò)DIW印刷圖案化的普通陰極結(jié)構(gòu)，具有快速著色時(shí)間（<0.4秒）和長(zhǎng)期耐用性（>6000秒）。

圖文解析

圖1. 柔性壓力傳感系統(tǒng)概述。（a）完全DIW印刷的FPSS示意圖：壓力傳感器和ECD顯示器的整體結(jié)構(gòu)。（b）感測(cè)層的制造步驟和（c）電致變色顯示器。（d）系統(tǒng)運(yùn)行總體流程框圖。（e）傳感系統(tǒng)的攝影圖像。標(biāo)尺，2 cm。（f）多級(jí)壓力值的視覺(jué)檢測(cè)。

圖2. 柔性壓力傳感系統(tǒng)的機(jī)理。（a）柔性壓力傳感器的照片。比例尺，5 mm。（b）頂面的SEM圖像和（c）SEBS/PEDOT:PSS薄膜的橫截面。（d）在感測(cè)層上具有不同間距的多層階梯狀微結(jié)構(gòu)和具有平坦感測(cè)層的柔性壓力傳感器的靈敏度。（e）傳感層工作機(jī)制的圖示。（f）初始接觸電阻和微觀結(jié)構(gòu)總數(shù)的比較。（g）PEDOT:PSS基電致變色顯示器工作機(jī)理示意圖。

圖3. FPSS的特征。（a）不同電壓下ECD的紫外-可見(jiàn)反射光譜。（b）兒童早期發(fā)展的反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。（c）ECD的著色效率。（d-i）在±1.5 V（開(kāi)關(guān)頻率：0.5 Hz）下施加6600 s的ECD的原位反射響應(yīng)（在650 nm處）。（d-ii）初始循環(huán)和（d-iii）3000個(gè)循環(huán)后的原位反射光譜。（e）不同靜壓下的電流-電壓（I-V）曲線。（f）在七種不同壓力下重復(fù)三個(gè)循環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。（g）壓力傳感器在不同頻率下的相對(duì)電流變化。（h）在150 kPa下進(jìn)行約5000次循環(huán)的壓力耐久性試驗(yàn)。

圖4. FPSS的應(yīng)用。（a）FPSS在健康監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中的示意圖。（b）FPSS的仿真電路圖。（c）當(dāng)壓力傳感器連接到頸部時(shí)對(duì)吞咽活動(dòng)的反應(yīng)。（d）手腕上的橈動(dòng)脈脈搏為80次/分（插圖：手腕上的壓力傳感器）。（e）重量檢測(cè)和（f-i，ii）彎曲手指的顏色指示和視覺(jué)檢測(cè)。

審核編輯 黃宇