复旦武利民课题组：基于非对称互锁梯度模量结构的柔性电容式压力传感

更新时间：2023-12-11

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近年来，可穿戴电子皮肤（e-skin）飞速发展，现已成为众多科研工作者瞩目的焦点。为了适应应用场景的复杂性和多样性，对于具备多功能性、全面性和强适应性的电子皮肤的需求不断增加。而柔性聚合物固有的高粘弹性使得传统的电子皮肤普遍存在灵敏度低、响应时间长、稳定性差等问题。通常，合理的微结构设计是改善这些性能的有效策略，然而单一的微结构设计很难在显著地扩展传感器监测范围的同时，兼顾其灵敏度和厚度等性能，这严重阻碍了电子皮肤器件的进一步应用发展。

人体皮肤作为一种天然的、最为优秀的感受器，其从外到内依次分为角质层、表皮层、真皮层和皮下组织层。其中，表皮层和真皮层之间精密的互锁结构可以增强皮肤对各种环境刺激的感知，如湿度、温度、压力等，从而提高皮肤对于各种刺激的敏感性。与此同时，人体皮肤从外向内呈现出弹性模量依次递减的变化趋势，很好地优化了应力传递，并高效地将其传递给位于真皮层的大量机械感受器，从而实现对于各种外界刺激的准确感知。

近日，复旦大学的武利民课题组研发了一种基于非对称互锁梯度模量结构的柔性电容式压力传感用于超宽范围压力监测。在该传感器中，非对称互锁的结构化电极为监测范围的拓宽起到了至关重要的作用。团队采用摩方精密nanoArch®S130（精度：2μm）3D打印设备，实现了非对称互锁穹顶结构模板的高精度打印，并创新性地将非对称互锁的结构化电极和梯度模量的概念结合起来，在保障了传感器其余性能的同时，进一步扩大了监测范围，确保了传感的可靠性。该传感器最大限度地利用了微结构构筑的可变形空间，极大地放大了外界刺激，从而表现出优异的综合性能：包括9.89kPa^-1的高灵敏度，1.84 Pa-530 kPa的超宽感知范围以及0.7 mm的超薄厚度。

除此之外，本研究还将该制备的传感器搭载在一个智能平台上，并选取鼠标作为演示案例。在实际应用展示中，该智能平台可以实时检测鼠标使用过程中不同按键的压力信息，并根据人们使用鼠标的习惯，调整不同按键的柔软程度，使人们以舒适、最自然的压力握住该鼠标。该平台的设计理念，源于人体皮肤可以根据大脑皮层提供的信息进行精妙地反馈这一功能，旨在探索下一代医疗保健和人机交互的发展方向。

相关研究成果以“An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications"为题发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。该工作得到了国家自然科学基金委的大力支持。

图1 非对称互锁梯度模量传感器的结构设计与应用。a）人体皮肤结构示意图。b）仿照皮肤设计的非对称互锁梯度模量结构，呈现非对称互锁电极和梯度弹性模量的结构。c）基于不同结构的压缩电容式传感器可变形空间比的计算结果对比。d）非对称互锁梯度模量结构中各组成部件在0-500 kPa压缩范围内的应变贡献。e）基于非对称互锁梯度模量传感器搭建的智能可调节鼠标示意图。

图2 非对称互锁梯度模量压缩电容式柔性压力传感器的制备过程与结构展示。a） i）上电极，ii）下电极和iii） Ecoflex/CNTs复合介电层的制备工艺。b, c） PUD/PEDOT:PSS上电极的扫描电镜图像，b倾斜图和c侧面截面图，比例尺，200 μm。d, e） Ecoflex/CNTs介电层与PDMS/PEDOT:PSS下电极交联的SEM图像，d倾斜图和e侧面截面图，比例尺，200 μm。f）非对称互锁梯度模量传感器示意图。

图3 非对称互锁梯度模量柔性电容压力传感器的传感性能。a）非对称互锁梯度模量传感器的归一化电容变化和灵敏度。b）响应时间和弛豫时间。c）在19.6 Pa预加载应力下的微小压力检测。d）不同压力下非对称互锁梯度模量传感器的动态归一化电容响应。e）在80 kPa的高压下，非对称互锁梯度模量传感器在10,000次加载/卸载循环中实时归一化电容变化曲线。插图放大显示了不同时间段内归一化电容的变化。f）非对称互锁梯度模量传感器在不同压力下对温度的电容响应。g）本工作与其他已发表的工作在六个核心参数上的比较（灵敏度，传感范围，厚度，检测限，响应时间，稳定性）。

图4 基于非对称互锁梯度模量柔性压力传感器的智能可调节鼠标平台。a）该平台的工作逻辑分为三个模块:压力感知、数据处理和模量调节。b）智能鼠标平台的光学照片，比例尺，10毫米。c）智能鼠标平台对于各种手部运动的归一化电容变化响应。d）实验者在智能鼠标模量调整前后的指尖应力分布对比。e）模量按钮的实时温度，左（Pleft）、右（Pright）按键的压缩应力，以及触摸同一鼠标不同按键时人体施加的平均应力水平的差异（ΔM）展示。