南方科技大學郭傳飛等人《Nat. Commun.》: 超快響應電容型電子皮膚

柔性壓力傳感器可將機械刺激轉換成電信號，以實現與環境的友好交互。電容型柔性壓力傳感器不僅可以檢測靜態壓力，還能同時檢測動態壓力，其信號也較為穩定，因此被廣泛研究與應用。但這類傳感器的響應速度通常較慢，處于數十毫秒量級（對應頻率帶寬為數十赫茲）。這與作為介電層的軟材料對動態壓力的響應時間相差至少6-7個數量級（響應時間為納秒級別，對應頻率帶寬可到億赫茲水平）。這種顯著的差異主要來自于兩個方面：一是材料的粘彈性，二是電極與介電層界面在動態加載與卸載過程中的能量耗散。然而，過去十多年來，研究人員并沒有認識到微結構界面的能量耗散對響應速度的影響。

針對以上問題，南方科技大學材料科學與工程系郭傳飛教授、中國科學技術大學近代力學系王柳教授、中國商用飛機有限責任公司陳迎春研究員研究團隊合作開發了一種超快響應的電容型電子皮膚。團隊深入研究了微結構界面的能量耗散對電容型柔性壓力傳感器響應-恢復速度的影響，采用微結構界面的一體化粘接技術，將這類傳感器的頻率帶寬從數百赫茲擴展至至少12500 Hz，該研究為推動電容型柔性壓力傳感器從動態壓力檢測到聲學領域的應用提供了新的思路。

相關成果以“Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10 kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces"為題發表在學術期刊《Nature Communications》上，南方科技大學材料系博士研究生張愿、中國科學院深圳先進技術研究院高級工程師周小猛、中國科學技術大學近代力學系碩士研究生張念為本文的共同第一作者，郭傳飛教授、王柳教授和陳迎春研究員作為共同通訊作者，南方科技大學為該論文的第一通信單位。

通過有限元模擬，研究團隊發現在粘附-脫附過程中微結構界面所能引發的顯著能量耗散的現象，這在一定程度上導致了器件響應速度的下降。針對這一問題，該團隊采用微結構界面的一體化粘接技術，同時結合彈性體-碳納米管的滲流轉變傳感機制，使傳感器在保證較高靈敏度的同時，其響應速度成功提升至12500 Hz水平。團隊采用摩方精密nanoArch® S130（精度：2 μm）3D打印設備，實現了微錐結構模板的高精度打印（直徑：50 μm，高度：40 μm），并結合倒模技術制備了柔性PDMS-CNTs微結構介電層。通過采用摻雜碳納米管降低粘彈性，結合粘接的微結構界面減少界面摩擦能量耗散，實現了傳感器的超快響應（圖1）。

該團隊利用該傳感器進一步設計了一種人工耳系統，并利用這個系統進行聲音檢測。他們對比了該傳感器與商用麥克風以及傳統的具有非粘接微結構界面的傳感器的測試結果，發現該傳感器的聲音識別能力與商用麥克風幾乎一致，證明了該傳感器在聲學領域的應用潛力（圖4）。

本研究得到了國家自然科學基金、廣東省科技廳和深圳市科創委的支持。