復旦武利民課題組：基于非對稱互鎖梯度模量結構的柔性電容式壓力傳感

更新時間：2023-12-11

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近年來，可穿戴電子皮膚（e-skin）飛速發展，現已成為眾多科研工作者矚目的焦點。為了適應應用場景的復雜性和多樣性，對于具備多功能性、全面性和強適應性的電子皮膚的需求不斷增加。而柔性聚合物固有的高粘彈性使得傳統的電子皮膚普遍存在靈敏度低、響應時間長、穩定性差等問題。通常，合理的微結構設計是改善這些性能的有效策略，然而單一的微結構設計很難在顯著地擴展傳感器監測范圍的同時，兼顧其靈敏度和厚度等性能，這嚴重阻礙了電子皮膚器件的進一步應用發展。

人體皮膚作為一種天然的、最為優秀的感受器，其從外到內依次分為角質層、表皮層、真皮層和皮下組織層。其中，表皮層和真皮層之間精密的互鎖結構可以增強皮膚對各種環境刺激的感知，如濕度、溫度、壓力等，從而提高皮膚對于各種刺激的敏感性。與此同時，人體皮膚從外向內呈現出彈性模量依次遞減的變化趨勢，很好地優化了應力傳遞，并高效地將其傳遞給位于真皮層的大量機械感受器，從而實現對于各種外界刺激的準確感知。

近日，復旦大學的武利民課題組研發了一種基于非對稱互鎖梯度模量結構的柔性電容式壓力傳感用于超寬范圍壓力監測。在該傳感器中，非對稱互鎖的結構化電極為監測范圍的拓寬起到了至關重要的作用。團隊采用摩方精密nanoArch®S130（精度：2μm）3D打印設備，實現了非對稱互鎖穹頂結構模板的高精度打印，并創新性地將非對稱互鎖的結構化電極和梯度模量的概念結合起來，在保障了傳感器其余性能的同時，進一步擴大了監測范圍，確保了傳感的可靠性。該傳感器最大限度地利用了微結構構筑的可變形空間，極大地放大了外界刺激，從而表現出優異的綜合性能：包括9.89kPa^-1的高靈敏度，1.84 Pa-530 kPa的超寬感知范圍以及0.7 mm的超薄厚度。

除此之外，本研究還將該制備的傳感器搭載在一個智能平臺上，并選取鼠標作為演示案例。在實際應用展示中，該智能平臺可以實時檢測鼠標使用過程中不同按鍵的壓力信息，并根據人們使用鼠標的習慣，調整不同按鍵的柔軟程度，使人們以舒適、最自然的壓力握住該鼠標。該平臺的設計理念，源于人體皮膚可以根據大腦皮層提供的信息進行精妙地反饋這一功能，旨在探索下一代醫療保健和人機交互的發展方向。

相關研究成果以“An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications"為題發表在期刊《Advanced Functional Materials》上。該工作得到了國家自然科學基金委的大力支持。

圖1 非對稱互鎖梯度模量傳感器的結構設計與應用。a）人體皮膚結構示意圖。b）仿照皮膚設計的非對稱互鎖梯度模量結構，呈現非對稱互鎖電極和梯度彈性模量的結構。c）基于不同結構的壓縮電容式傳感器可變形空間比的計算結果對比。d）非對稱互鎖梯度模量結構中各組成部件在0-500 kPa壓縮范圍內的應變貢獻。e）基于非對稱互鎖梯度模量傳感器搭建的智能可調節鼠標示意圖。

圖2 非對稱互鎖梯度模量壓縮電容式柔性壓力傳感器的制備過程與結構展示。a） i）上電極，ii）下電極和iii） Ecoflex/CNTs復合介電層的制備工藝。b, c） PUD/PEDOT:PSS上電極的掃描電鏡圖像，b傾斜圖和c側面截面圖，比例尺，200 μm。d, e） Ecoflex/CNTs介電層與PDMS/PEDOT:PSS下電極交聯的SEM圖像，d傾斜圖和e側面截面圖，比例尺，200 μm。f）非對稱互鎖梯度模量傳感器示意圖。

圖3 非對稱互鎖梯度模量柔性電容壓力傳感器的傳感性能。a）非對稱互鎖梯度模量傳感器的歸一化電容變化和靈敏度。b）響應時間和弛豫時間。c）在19.6 Pa預加載應力下的微小壓力檢測。d）不同壓力下非對稱互鎖梯度模量傳感器的動態歸一化電容響應。e）在80 kPa的高壓下，非對稱互鎖梯度模量傳感器在10,000次加載/卸載循環中實時歸一化電容變化曲線。插圖放大顯示了不同時間段內歸一化電容的變化。f）非對稱互鎖梯度模量傳感器在不同壓力下對溫度的電容響應。g）本工作與其他已發表的工作在六個核心參數上的比較（靈敏度，傳感范圍，厚度，檢測限，響應時間，穩定性）。

圖4 基于非對稱互鎖梯度模量柔性壓力傳感器的智能可調節鼠標平臺。a）該平臺的工作邏輯分為三個模塊:壓力感知、數據處理和模量調節。b）智能鼠標平臺的光學照片，比例尺，10毫米。c）智能鼠標平臺對于各種手部運動的歸一化電容變化響應。d）實驗者在智能鼠標模量調整前后的指尖應力分布對比。e）模量按鈕的實時溫度，左（Pleft）、右（Pright）按鍵的壓縮應力，以及觸摸同一鼠標不同按鍵時人體施加的平均應力水平的差異（ΔM）展示。