南方科技大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國商飛: 3D打印超快響應(yīng)電容型電子皮膚

來源：摩方 PuSL高精密

柔性壓力傳感器可將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)換成電信號，以實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的友好交互。電容型柔性壓力傳感器不僅可以檢測靜態(tài)壓力，還能同時檢測動態(tài)壓力，其信號也較為穩(wěn)定，因此被廣泛研究與應(yīng)用。但這類傳感器的響應(yīng)速度通常較慢，處于數(shù)十毫秒量級（對應(yīng)頻率帶寬為數(shù)十赫茲）。這與作為介電層的軟材料對動態(tài)壓力的響應(yīng)時間相差至少6-7個數(shù)量級（響應(yīng)時間為納秒級別，對應(yīng)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(tài)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(rèn)識到微結(jié)構(gòu)界面的能量耗散對響應(yīng)速度的影響。

針對以上問題，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系郭傳飛教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系王柳教授、中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司陳迎春研究員研究團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種超快響應(yīng)的電容型電子皮膚。團(tuán)隊(duì)深入研究了微結(jié)構(gòu)界面的能量耗散對電容型柔性壓力傳感器響應(yīng)-恢復(fù)速度的影響，采用微結(jié)構(gòu)界面的一體化粘接技術(shù)，將這類傳感器的頻率帶寬從數(shù)百赫茲擴(kuò)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(tài)壓力檢測到聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。

相關(guān)成果以“Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10 kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上，南方科技大學(xué)材料系博士研究生張?jiān)浮⒅袊茖W(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院高級工程師周小猛、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)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(xué)為該論文的第一通信單位。

通過有限元模擬，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在粘附-脫附過程中微結(jié)構(gòu)界面所能引發(fā)的顯著能量耗散的現(xiàn)象，這在一定程度上導(dǎo)致了器件響應(yīng)速度的下降。針對這一問題，該團(tuán)隊(duì)采用微結(jié)構(gòu)界面的一體化粘接技術(shù)，同時結(jié)合彈性體-碳納米管的滲流轉(zhuǎn)變傳感機(jī)制，使傳感器在保證較高靈敏度的同時，其響應(yīng)速度成功提升至12500 Hz水平。團(tuán)隊(duì)采用摩方精密nanoArch® S130（精度：2 μm）3D打印設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了微錐結(jié)構(gòu)模板的高精度打?。ㄖ睆剑?0 μm，高度：40 μm），并結(jié)合倒模技術(shù)制備了柔性PDMS-CNTs微結(jié)構(gòu)介電層。通過采用摻雜碳納米管降低粘彈性，結(jié)合粘接的微結(jié)構(gòu)界面減少界面摩擦能量耗散，實(shí)現(xiàn)了傳感器的超快響應(yīng)（圖1）。

圖1. 具有非粘接和粘接微結(jié)構(gòu)界面的傳感器在加載和卸載過程中的能量損失對比、粘合微結(jié)構(gòu)界面的傳感器的響應(yīng)-恢復(fù)時間

粘合微錐界面可減少在接觸-分離過程中的能量耗散，從而提高傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)速度。研究團(tuán)隊(duì)通過有限元模擬進(jìn)一步研究了微錐結(jié)構(gòu)對響應(yīng)和恢復(fù)時間的影響。通過調(diào)整微錐結(jié)構(gòu)的三個重要參數(shù)：高度H、初始接觸面積A0以及直徑D，研究了不同參數(shù)的微錐結(jié)構(gòu)對響應(yīng)和回復(fù)時間的影響，從而實(shí)現(xiàn)了低能量耗散、高靈敏度和高機(jī)械穩(wěn)定性的平衡（圖2）。

圖2. 不同微錐結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)的能量耗散及靈敏度

這種具有超快響應(yīng)的柔性壓力傳感器可以檢測高頻振動。研究團(tuán)隊(duì)證明了該傳感器的響應(yīng)范圍可以從靜態(tài)壓力拓展到12500 Hz的高頻振動，不僅能夠在100 kPa的靜壓下可檢測到500、4000、8000和12500 Hz的疊加振動信號，還在1000 Hz的頻率下具有0.2 Hz的頻率分辨率（圖3）。

圖3. 具有粘合微結(jié)構(gòu)界面的傳感器對高頻振動的識別

該團(tuán)隊(duì)利用該傳感器進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種人工耳系統(tǒng)，并利用這個系統(tǒng)進(jìn)行聲音檢測。他們對比了該傳感器與商用麥克風(fēng)以及傳統(tǒng)的具有非粘接微結(jié)構(gòu)界面的傳感器的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該傳感器的聲音識別能力與商用麥克風(fēng)幾乎一致，證明了該傳感器在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力（圖4）。

圖4. 具有粘合和非粘合微結(jié)構(gòu)界面的傳感器及商用麥克風(fēng)對聲音的識別能力對比

電極層和粘彈性介電層之間存在明顯空隙是大多數(shù)具有非粘合界面的電容型柔性壓力傳感器面臨的常見問題，這會導(dǎo)致高的界面能量耗散，并在粘附-脫附期間無法檢測高頻振動。該研究為電容型柔性壓力傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)速度提升提出了新策略，并大幅拓展了其頻率帶寬，為其在聲學(xué)及其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。

本研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省科技廳和深圳市科創(chuàng)委的支持。


原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47408-z