Hierarchical Iontronic Flexible Sensor with High Sensitivity over Ultrabroad Range Enabled by Equilibration of Microstructural Compressibility and Stability

压缩性 材料科学 灵敏度(控制系统) 航程(航空) 复合材料 纳米技术 热力学 电子工程 物理 工程类
作者
Jianfeng Chen,Kai Peng,Yo-Lun Yang,Yichuan Dai,Ben Huang,Xiaoxiao Chen
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:10 (2): 921-931 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acssensors.4c02684
摘要

Despite improved sensitivity of iontronic pressure sensors with microstructures, structural compressibility and stability issues hinder achieving exceptional sensitivity across a wide pressure range. Herein, the interplay between ion concentration, mechanical properties, structural geometry, and aspect ratio (AR) on the sensitivity of lithium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide/thermoplastic polyurethane (LiTFSI/TPU) ionogel is delved into. The results indicate that cones exhibit superior compressibility compared to pyramids and hemispheres, manifesting in an enhanced sensitivity toward the LiTFSI/TPU ionogel. Subsequently, by strategically combining cones with varying ARs, a harmonious balance between structural stability and compressibility is achieved, culminating in the fabrication of hierarchical iontronic flexible sensors (HIFS). Remarkably, HIFS-III with a three-level hierarchical conical microstructure demonstrates a preeminent sensitivity of 127.65 kPa-1 within ∼500 kPa. Even within the ultrabroad pressure range of 1500-3000 kPa, the sensitivity remains exceeding 10 kPa-1. Furthermore, HIFS-III boasts swift response and relaxation times (∼11 and 18 ms, respectively), a low detection limit (∼6.35 Pa), as well as remarkable durability (15,000 cycles). The exceptional sensing capabilities of HIFS-III underscore its emergence as a promising high-performance sensing and feedback solution tailored for applications in human-machine interaction and e-skin.
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