南京邮电大学：集成有图案化电致变色显示器的多层阶梯状微结构柔性压力传感系统，用于视觉检测

柔性压力传感器（FPS）是柔性电子设备的关键组件，如电子皮肤（e-skins）、人机交互和医疗监测设备。根据工作机理，压力传感器主要分为四种类型：压阻式、电容式、压电式、摩擦式。其中，将压力输入转换为电阻变化的压阻式压力传感器因其结构简单、灵敏度高、易于制备而引起了更多的关注。为了提高传感性能，一些凸微阵列结构（如微锥体、微半球结构、微孔和微柱等）通常设计在传感层或电极上。近年来，人们提出了一些新型的微观结构，包括梯度结构和层次结构。特别是，这些多级结构在每个应力区间都有相应的微观结构尺寸，以提供变形和更多的接触面积，从而扩展了压力传感器的线性范围。在压阻式压力传感器领域，灵敏度与传感层和电极之间的接触面积变化高度相关。具有这些多级结构的压力传感器具有较小的初始接触面积和接触电阻的多级变化。简而言之，压力传感器的性能已经取得了实质性的进步。

集成传感器通常需要外部设备来读取数据和波形，这对于分析检测结果非常重要。然而，传统的外部设备体积庞大，限制了集成传感器变得更小、更便携。目前，随着对多功能设备需求的快速增长，一些研究集中在将视觉单元与传感器集成以进行实时监控，从而有效地减小传感系统的尺寸。这些视觉传感器的检测结果可以直接用肉眼观察到，无需任何其他设备。电致变色显示器（ECD）在施加电势时可以改变颜色，由于其结构简单和功耗低，在数据可视化方面很受欢迎。它们允许在没有额外设备的情况下直接观察检测结果。表S2比较了最近报道的电致变色集成传感器的性能。例如，Bao和同事们通过集成电阻式压力传感器和交互式ECD开发了一种可拉伸的设备，ECD的颜色随着施加的压力从深红色变为蓝灰色。郭等人设计了一种集成压力感知和可视化的交互式混合设备。二合一设备可以通过颜色变化定性地描绘不同的状态。Bi等人报道了一种基于压电致变色的触感显示器（PETSD），其中ECD通过从透明到深蓝色的颜色变化来显示手写图案。然而，大多数以前的交互式设备在压力范围内表现出连续的颜色变化，因此很难识别多个压力水平。裸眼读数缺乏空间和色度分辨率，导致数据呈现不准确和不清晰。因此，通常需要将色度信息转换为数值数据以供进一步分析。

本文亮点

1. 本工作报告了一种柔性压力传感系统，该系统将压力传感器与图案化的电致变色显示器相结合。压力传感层具有凸形平行线微阵列结构，该结构是通过直接油墨书写（DIW）印刷技术构建的。

2. 每个微阵列单元中的多层微结构使我们的传感器具有20.25 kPa-1的高灵敏度、高达35 kPa的宽线性响应范围以及出色的耐用性（约5000次循环）。

3. 电致变色显示器设计为通过DIW印刷图案化的普通阴极结构，具有快速着色时间（<0.4秒）和长期耐用性（>6000秒）。

图文解析

图1. 柔性压力传感系统概述。（a）完全DIW印刷的FPSS示意图：压力传感器和ECD显示器的整体结构。（b）感测层的制造步骤和（c）电致变色显示器。（d）系统运行总体流程框图。（e）传感系统的摄影图像。标尺，2 cm。（f）多级压力值的视觉检测。

图2. 柔性压力传感系统的机理。（a）柔性压力传感器的照片。比例尺，5 mm。（b）顶面的SEM图像和（c）SEBS/PEDOT:PSS薄膜的横截面。（d）在感测层上具有不同间距的多层阶梯状微结构和具有平坦感测层的柔性压力传感器的灵敏度。（e）传感层工作机制的图示。（f）初始接触电阻和微观结构总数的比较。（g）PEDOT:PSS基电致变色显示器工作机理示意图。

图3. FPSS的特征。（a）不同电压下ECD的紫外-可见反射光谱。（b）儿童早期发展的反应和恢复时间。（c）ECD的着色效率。（d-i）在±1.5 V（开关频率：0.5 Hz）下施加6600 s的ECD的原位反射响应（在650 nm处）。（d-ii）初始循环和（d-iii）3000个循环后的原位反射光谱。（e）不同静压下的电流-电压（I-V）曲线。（f）在七种不同压力下重复三个循环的动态响应。（g）压力传感器在不同频率下的相对电流变化。（h）在150 kPa下进行约5000次循环的压力耐久性试验。

图4. FPSS的应用。（a）FPSS在健康监测和运动检测中的示意图。（b）FPSS的仿真电路图。（c）当压力传感器连接到颈部时对吞咽活动的反应。（d）手腕上的桡动脉脉搏为80次/分（插图：手腕上的压力传感器）。（e）重量检测和（f-i，ii）弯曲手指的颜色指示和视觉检测。

审核编辑 黄宇