復(fù)旦武利民課題組：基于非對稱互鎖梯度模量結(jié)構(gòu)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(fā)展，現(xiàn)已成為眾多科研工作者矚目的焦點。為了適應(yīng)應(yīng)用場景的復(fù)雜性和多樣性，對于具備多功能性、全面性和強適應(yīng)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(tǒng)的電子皮膚普遍存在靈敏度低、響應(yīng)時間長、穩(wěn)定性差等問題。通常，合理的微結(jié)構(gòu)設(shè)計是改善這些性能的有效策略，然而單一的微結(jié)構(gòu)設(shè)計很難在顯著地擴展傳感器監(jiān)測范圍的同時，兼顧其靈敏度和厚度等性能，這嚴(yán)重阻礙了電子皮膚器件的進一步應(yīng)用發(fā)展。

人體皮膚作為一種天然的、最為優(yōu)秀的感受器，其從外到內(nèi)依次分為角質(zhì)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(jié)構(gòu)可以增強皮膚對各種環(huán)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(nèi)呈現(xiàn)出彈性模量依次遞減的變化趨勢，很好地優(yōu)化了應(yīng)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(xiàn)對于各種外界刺激的準(zhǔn)確感知。

近日，復(fù)旦大學(xué)的武利民課題組研發(fā)了一種基于非對稱互鎖梯度模量結(jié)構(gòu)的柔性電容式壓力傳感用于超寬范圍壓力監(jiān)測。在該傳感器中，非對稱互鎖的結(jié)構(gòu)化電極為監(jiān)測范圍的拓寬起到了至關(guān)重要的作用。團隊采用摩方精密nanoArch®S130（精度：2μm）3D打印設(shè)備，實現(xiàn)了非對稱互鎖穹頂結(jié)構(gòu)模板的高精度打印，并創(chuàng)新性地將非對稱互鎖的結(jié)構(gòu)化電極和梯度模量的概念結(jié)合起來，在保障了傳感器其余性能的同時，進一步擴大了監(jiān)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(jié)構(gòu)構(gòu)筑的可變形空間，極大地放大了外界刺激，從而表現(xiàn)出優(yōu)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(biāo)作為演示案例。在實際應(yīng)用展示中，該智能平臺可以實時檢測鼠標(biāo)使用過程中不同按鍵的壓力信息，并根據(jù)人們使用鼠標(biāo)的習(xí)慣，調(diào)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(biāo)。該平臺的設(shè)計理念，源于人體皮膚可以根據(jù)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(yī)療保健和人機交互的發(fā)展方向。

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

圖1 非對稱互鎖梯度模量傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用。a）人體皮膚結(jié)構(gòu)示意圖。b）仿照皮膚設(shè)計的非對稱互鎖梯度模量結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)非對稱互鎖電極和梯度彈性模量的結(jié)構(gòu)。c）基于不同結(jié)構(gòu)的壓縮電容式傳感器可變形空間比的計算結(jié)果對比。d）非對稱互鎖梯度模量結(jié)構(gòu)中各組成部件在0-500 kPa壓縮范圍內(nèi)的應(yīng)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(diào)節(jié)鼠標(biāo)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(jié)構(gòu)展示。a） i）上電極，ii）下電極和iii） Ecoflex/CNTs復(fù)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(cè)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(lián)的SEM圖像，d傾斜圖和e側(cè)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(yīng)時間和弛豫時間。c）在19.6 Pa預(yù)加載應(yīng)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(tài)歸一化電容響應(yīng)。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(huán)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(nèi)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(yīng)。g）本工作與其他已發(fā)表的工作在六個核心參數(shù)上的比較（靈敏度，傳感范圍，厚度，檢測限，響應(yīng)時間，穩(wěn)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(diào)節(jié)鼠標(biāo)平臺。a）該平臺的工作邏輯分為三個模塊:壓力感知、數(shù)據(jù)處理和模量調(diào)節(jié)。b）智能鼠標(biāo)平臺的光學(xué)照片，比例尺，10毫米。c）智能鼠標(biāo)平臺對于各種手部運動的歸一化電容變化響應(yīng)。d）實驗者在智能鼠標(biāo)模量調(diào)整前后的指尖應(yīng)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(yīng)力，以及觸摸同一鼠標(biāo)不同按鍵時人體施加的平均應(yīng)力水平的差異（ΔM）展示。