Skin-inspired large area iontronic pressure sensor with ultra-broad range and high sensitivity

材料科学 压力传感器 灵敏度(控制系统) 光电子学 航程(航空) 纳米技术 电子工程 机械工程 复合材料 工程类
作者
Pei Li,Lei Xie,Min Su,Pengsai Wang,Wei Yuan,Chenhui Dong,Jun Yang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:101: 107571-107571 被引量:45
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2022.107571
摘要

The development of flexible electronics and intelligent wearable devices requires flexible electronic skin with broad-range high sensitivity and sufficient spatial resolution through high-level sensor integration. Inspired by both the ion migration behaviors and the high-density distribution of tactile mechanical receptors in human skin, microstructured iontronic force-sensitive films and in-plane interdigital electrodes are integrated to form skin-inspired large area iontronic pressure sensors. Furthermore, by introducing the pressure-dependent unit area capacitance (UAC), the theoretical model of the in-plane iontronic sensor is successfully built and all parameters of the device are systematically analyzed from theoretical and experimental perspectives to achieve high-performance sensors. Such skin-inspired iontronic sensors exhibit an unexpected high sensitivity (365 kPa −1 ), ultra-broad range (1.7 Pa-1000 kPa), and remarkable reproducibility (10000 cycles), together with a wonderful capability of large array sensors (32 ×32). Benefitting from the outstanding comprehensive performance, the potential application in health monitoring has been demonstrated and an intelligent footpad based on iontronic sensors has been fabricated to detect falling danger of humans. The skin-inspired in-plane iontronic pressure sensor provides a new approach to achieve high-performance large-scale array of E-skin, which delivers great potential applications in next-generation health monitoring and wearable electronics. In this work, a skin-inspired iontronic pressure sensor was successfully demonstrated by integrating microstructured iontronic force-sensitive films and in-plane interdigital electrodes. The skin-liked in-plane structure provides a new approach to simultaneously increase sensitivity, pressure-response range, and large area resolution for the flexible iontronic pressure sensor. More importantly, by introducing the pressure-dependent unit area capacitance, the theoretical model of the in-plane iontronic sensor is built and all parameters of the device are systematically analyzed from theoretical and experimental perspectives to achieve high-performance sensors. Furthermore, the skin-inspired iontronic devices deliver great potential applications in next-generation health monitoring and wearable electronics. • Iontronic films and in-plane interdigital electrodes are integrated to form skin-inspired large area iontronic pressure sensors. • A new ionic gel force electric coupling model and the influence of various parameters on the sensor is studied. • A high-performance sensor with sensitivity (365 kPa −1 ), range (1000 kPa), and reproducibility (10,000 cycles) is demonstrated. • A large array (32 ×32) of the skin-inspired iontronic sensor and an intelligent iontronic footpad is fabricated.
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