近日，山東大學(xué)集成電路學(xué)院/未來(lái)技術(shù)學(xué)院錢(qián)凱教授團(tuán)隊(duì)在柔性傳感器領(lǐng)域取得新突破，成功開(kāi)發(fā)出一種能有效解決液體干擾問(wèn)題的超疏水電容傳感器。相關(guān)研究成果以“Liquid Interference Mitigation in Capacitive Sensors Using Cassie-Baxter State based on Superhydrophobic Surfaces”為題，發(fā)表在國(guó)際期刊ACS Applied Electronic Materials(影響因子4.3)上。該論文第一作者為集成電路學(xué)院本科生肖易霏，共同通訊作者為集成電路學(xué)院卓?jī)?yōu)博士后戴子憶，山東大學(xué)集成電路學(xué)院為第一完成單位。
 

 

　　隨著人機(jī)交互和工業(yè)4.0技術(shù)的快速發(fā)展，柔性電容傳感器已成為智能穿戴設(shè)備、人形機(jī)器人皮膚和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。然而，這些傳感器面臨一個(gè)根本性挑戰(zhàn)：液體干擾。傳統(tǒng)電容式傳感器極易受外部液體干擾，水與傳感器介電材料之間的巨大介電對(duì)比度(水約為80.4，常規(guī)介電材料接近1.0)導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重失真。此外，在高濕度、有液體飛濺或腐蝕性環(huán)境等復(fù)雜現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，傳感器的可靠性大幅下降，限制了其在安全關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用。傳統(tǒng)解決方案主要依賴(lài)封裝技術(shù)，從物理層面隔離傳感元件與環(huán)境。然而，這種方法不僅會(huì)犧牲傳感器的柔性和靈敏度，增加生產(chǎn)成本和工藝復(fù)雜度，還難以解決長(zhǎng)期使用中的液體滲透問(wèn)題。一旦濕氣通過(guò)表面微小缺陷滲入密封環(huán)境，臨時(shí)干擾就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)的信號(hào)失真。本研究通過(guò)一種簡(jiǎn)便的噴涂策略，在電容傳感器介電層表面涂覆改性二氧化硅納米顆粒，成功實(shí)現(xiàn)了超疏水表面，使其接觸角超過(guò)150°，滾動(dòng)角低于10°。這種表面處理在傳感器與液體之間形成了穩(wěn)定的Cassie-Baxter狀態(tài)，顯著減少了液體與傳感器的接觸面積。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩種高效的液體去除機(jī)制：主動(dòng)去除機(jī)制(通過(guò)傾斜實(shí)現(xiàn)液滴快速脫離)和被動(dòng)去除機(jī)制(通過(guò)傳感器正常工作時(shí)的壓縮-釋放過(guò)程排出液體)。更重要的是，這種表面處理技術(shù)展現(xiàn)出了廣譜的液體抵抗能力，能夠有效應(yīng)對(duì)從純水到酸堿溶液、鹽水，甚至各種日常飲料等不同液體。以圓頂陣列結(jié)構(gòu)為例，該傳感器具有可靠的壓力傳感性能，檢測(cè)范圍為0-3 MPa，在低壓區(qū)(3.601×10-2kPa-1)具有較高的靈敏度。這種方法通過(guò)可穿戴運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，在潮濕環(huán)境、工業(yè)環(huán)境(包括包括酸，堿，鹽霧暴露)條件下可以實(shí)現(xiàn)電容應(yīng)變傳感保持穩(wěn)定，以及通過(guò)可靠的摩斯電碼識(shí)別實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，已成功展示了實(shí)際應(yīng)用。
 

 

　　錢(qián)凱教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于智能柔性“感-存-算一體化”電子器件研究，涵蓋憶阻器存儲(chǔ)/類(lèi)腦神經(jīng)芯片、集成電路封裝、透明可穿戴電極以及醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)等研究領(lǐng)域，此次突破為柔性電子器件在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑。