共同第一作者：張會(huì)琪、徐宇、繆妙
共同通訊作者：劉賢哲、黃愛(ài)萍、周冰樸、羅堅(jiān)義
背景介紹及內(nèi)容概述
柔性電容式壓力傳感器因其制備工藝簡(jiǎn)便、功耗低以及穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為多種人機(jī)交互（HMI）系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能器件。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度與寬線(xiàn)性檢測(cè)范圍仍然是該類(lèi)傳感器面臨的核心挑戰(zhàn)。
近日，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心的劉賢哲副教授、黃愛(ài)萍教授和羅堅(jiān)義教授團(tuán)隊(duì)以及澳門(mén)大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院的周冰樸副教授通過(guò)高介電常數(shù)（high-k）彈性復(fù)合介質(zhì)與微結(jié)構(gòu)工程的協(xié)同設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一種高性能柔性電容式壓力傳感器。通過(guò)對(duì)多壁碳納米管（MWCNTs）進(jìn)行非共價(jià)表面修飾，實(shí)現(xiàn)了其在熱塑性聚氨酯（TPU）基體中的均勻分散，制備得到介電常數(shù)可調(diào)且兼具良好彈性的高介電 TPU/MWCNT 復(fù)合介質(zhì)?；跈C(jī)電耦合分析，提出了一種互鎖式非對(duì)稱(chēng)金字塔微結(jié)構(gòu)（interlocked asymmetric pyramid microstructure, IAPM），通過(guò)引入多級(jí)接觸調(diào)控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了電容信號(hào)的線(xiàn)性響應(yīng)特性。所制備的柔性電容式壓力傳感器表現(xiàn)出0.0229 kPa?1 的高靈敏度、0.1–1300 kPa 的超寬線(xiàn)性響應(yīng)范圍、快速響應(yīng)特性（<100 ms）、優(yōu)異的循環(huán)耐久性以及良好的環(huán)境穩(wěn)定性，展現(xiàn)出在仿生電子皮膚、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及步態(tài)分析等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
此外，研究進(jìn)一步構(gòu)建了一種集成傳感器陣列的可穿戴足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠識(shí)別不同運(yùn)動(dòng)模式下的步態(tài)階段特征。該工作通過(guò)材料性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化，有效突破了柔性電容式壓力傳感器中靈敏度與檢測(cè)范圍之間的權(quán)衡關(guān)系，為面向醫(yī)療健康與人機(jī)交互技術(shù)的下一代柔性壓力傳感器提供了一種可拓展的設(shè)計(jì)思路。
本工作以“High-k elastic composite dielectrics and microstructural engineering: high-sensitivity, ultra-wide linear range, and robust flexible capacitive pressure sensors for wearable electronics”為題，發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。
論文具體工作內(nèi)容
圖1 TPU/MWCNTs 復(fù)合薄膜的制備流程及表征結(jié)果。(a) TPU/MWCNTs 復(fù)合薄膜制備過(guò)程的示意圖；(b) 代表性 TPU/MWCNTs 復(fù)合薄膜的光學(xué)照片及掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(c) TPU 薄膜、原始 MWCNT 粉末以及 TPU/MWCNTs 復(fù)合薄膜的拉曼光譜。
圖2 不同 MWCNTs 含量的 TPU/MWCNTs 復(fù)合薄膜的介電性能。(a) 不同 MWCNTs 含量復(fù)合薄膜在 10 kHz 下的面電容；(b) 介電常數(shù)隨頻率變化的關(guān)系；(c) 介電損耗角正切（tan δ）隨頻率變化的關(guān)系；(d) 不同 MWCNTs 含量 TPU/MWCNTs 復(fù)合薄膜多維性能對(duì)比；(e) TPU/MWCNTs-1.0 wt% 復(fù)合薄膜在不同濕度條件下的相對(duì)電容變化；(f) TPU/MWCNTs-1.0 wt% 復(fù)合薄膜在不同溫度條件下的相對(duì)電容變化。
圖3 微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電容式壓力響應(yīng)特性的影響。(a) 金字塔、半球形和矩形微結(jié)構(gòu)在外加壓力作用下的電容響應(yīng)；(b) 金字塔微結(jié)構(gòu)示意圖，插圖中定義了金字塔的底寬（B）和高度（H）；(c) 不同金字塔高度下均勻金字塔陣列的電容–壓力響應(yīng)特性；(d) 不同金字塔底寬下均勻金字塔陣列的電容–壓力響應(yīng)特性；(e) 梯度金字塔陣列中大金字塔高度變化對(duì)電容–壓力響應(yīng)的影響；(f) 梯度金字塔陣列中小金字塔高度變化對(duì)電容–壓力響應(yīng)的影響。
圖4 柔性電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證。(a) 基于有限元分析得到的不同微結(jié)構(gòu)壓力傳感層的應(yīng)力分布；(b) 不同微結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的位移–載荷關(guān)系曲線(xiàn)；(c) 用于構(gòu)建 IAPM 的 TPU/MWCNTs 復(fù)合薄膜的光學(xué)照片；(d) 基于 TPU/MWCNTs 復(fù)合薄膜的 IAPM 在加載與卸載過(guò)程中的動(dòng)態(tài)形變光學(xué)圖像；(e) IAPM 柔性電容式壓力傳感器的相對(duì)電容變化隨外加壓力變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖5 IAPM 電容式壓力傳感器的壓力傳感性能。(a) 不同器件樣品之間的重復(fù)性測(cè)試結(jié)果；(b) 在累計(jì)加載至 1300 kPa 過(guò)程中的加載/卸載滯回特性；(c) 在不同壓縮速度（1、5、10 和 20 mm min?1）下的電容響應(yīng)；(d) 在 2 kPa 壓力下的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間（定義為電容達(dá)到總變化量 90% 所需的時(shí)間）；(e) 在低、中、高不同壓力區(qū)間下的電容響應(yīng)；(f) 在 5、450 和 800 kPa 預(yù)加載壓力下對(duì)微小壓力變化的檢測(cè)能力；(g) 柔性電容式壓力傳感器的抗沖擊測(cè)試照片及在砝碼加載和車(chē)輛碾壓條件下傳感器相對(duì)電容變化的實(shí)時(shí)響應(yīng)；(h) 本工作與已報(bào)道壓力傳感器在靈敏度與線(xiàn)性檢測(cè)范圍方面的性能對(duì)比。
圖6 IAPM 傳感器在不同壓力監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景中的潛在應(yīng)用。(a) 仿生電子皮膚；(b) 智能拳擊手套；(c) 智能鞋墊。
圖7 基于 IAPM 傳感器的智能鞋墊系統(tǒng)及其應(yīng)用示例。(a) 用于實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的智能鞋墊系統(tǒng)示意圖；(b) 基于 IAPM 傳感器的智能鞋墊系統(tǒng)實(shí)物照片；(c) 不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下足底壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果。
總結(jié)和展望
本工作提出了一種面向高性能柔性電容式壓力傳感器的協(xié)同設(shè)計(jì)策略，通過(guò)將高介電常數(shù)（high-k）彈性復(fù)合介質(zhì)與合理設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了器件綜合性能的顯著提升。通過(guò)對(duì)多壁碳納米管（MWCNTs）進(jìn)行聚乙烯吡咯烷酮（PVP）非共價(jià)修飾，并使其在熱塑性聚氨酯（TPU）基體中實(shí)現(xiàn)均勻分散，成功制備了一種介電性能優(yōu)異且彈性模量可調(diào)的高介電聚合物復(fù)合介質(zhì)。同時(shí)，基于高介電 TPU/MWCNT 復(fù)合介質(zhì)的材料特性，在仿真指導(dǎo)下對(duì)互鎖式非對(duì)稱(chēng)金字塔微結(jié)構(gòu)（IAPM）進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。高介電復(fù)合材料與微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)同集成，使傳感器能夠在0.1–1300 kPa 的超寬壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性電容響應(yīng)，同時(shí)具備0.0229 kPa?1 的高靈敏度、快速響應(yīng)特性（≤100 ms）以及優(yōu)異的耐久性（在 800 kPa 條件下循環(huán) 10 000 次）?；谄渫怀龅膫鞲行阅?，該傳感器可作為可穿戴器件，用于多種應(yīng)用場(chǎng)景下的生理信號(hào)檢測(cè)，包括仿生電子皮膚、智能拳擊手套和智能鞋墊等。此外，研究還成功開(kāi)發(fā)了一種集成傳感器陣列的可穿戴足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)足底壓力分布的實(shí)時(shí)采集與步態(tài)分析。上述結(jié)果表明，IAPM 傳感器為醫(yī)療健康、運(yùn)動(dòng)科學(xué)以及可穿戴機(jī)器人系統(tǒng)等領(lǐng)域的下一代柔性壓力傳感技術(shù)提供了一種具有可擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)藍(lán)圖。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
共同第一作者：張會(huì)琪，女，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2022級(jí)材料與化工碩士研究生
共同第一作者：徐宇，男，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2022級(jí)電子信息工程（半導(dǎo)體綠色光源）本科生
共同第一作者：繆妙，女，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2022級(jí)材料與科學(xué)工程本科生
共同通訊作者：劉賢哲，男，工學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主持廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（青年基金項(xiàng)目和面上項(xiàng)目）2項(xiàng)和廣東省普通高校特色創(chuàng)新項(xiàng)目1項(xiàng)；主要研究方向?yàn)椋喝嵝詡鞲胁牧虾推骷捌鋺?yīng)用研究、新型光電材料與器件、噴墨印刷柔性電子器件。
共同通訊作者：黃愛(ài)萍，女，工學(xué)博士，教授級(jí)高級(jí)工程師、五邑大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，中國(guó)電源學(xué)會(huì)磁技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)電源學(xué)會(huì)會(huì)員、中國(guó)電子學(xué)會(huì)會(huì)員、江門(mén)市一級(jí)高層次人才，《磁性材料及器件》青年編委。長(zhǎng)期從事高性能軟磁鐵氧體材料研發(fā)及制造技術(shù)研究，科技成果“兼具雙重特性高性能錳鋅鐵氧體材料”屬于國(guó)際首創(chuàng)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)錳鋅鐵氧體新材料研究局部引領(lǐng)世界的先河，并實(shí)現(xiàn)了低成本產(chǎn)業(yè)化。主要研究方向：鐵氧體、金屬軟磁及其復(fù)合材料的設(shè)計(jì)研發(fā)與制備技術(shù)；各類(lèi)傳感材料（力學(xué)、氣體、磁場(chǎng)等）的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。
共同通訊作者：周冰樸，男，工學(xué)博士，澳門(mén)大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師，應(yīng)用物理與材料工程研究所副教授，科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理學(xué)與化學(xué)系副系主任。研究興趣：可穿戴電子與柔性電子、微/納米尺度下的流體控制、表面與界面科學(xué)。
共同通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家（2023），廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師，江門(mén)市首屆“僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者，江門(mén)市“十佳教師”。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣體傳感和光電傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)
High-k elastic composite dielectrics and microstructural engineering: high-sensitivity, ultra-wide linear range, and robust flexible capacitive pressure sensors for wearable electronics
DOI:10.1039/d5ta06800b
