基于鍵合微結(jié)構(gòu)的壓容式柔性壓力傳感器，實現(xiàn)對機(jī)械刺激的超快響應(yīng)

人類皮膚的觸覺感知是由機(jī)械感受器實現(xiàn)的，機(jī)械感受器不僅能夠?qū)o態(tài)力做出響應(yīng)，還能夠?qū)φ駝哟碳ぷ龀鲰憫?yīng)。電子皮膚或柔性壓力傳感器是模仿人類機(jī)械感受器功能而構(gòu)建的新興器件，因其具有在機(jī)器人觸覺、人機(jī)界面、智能可穿戴設(shè)備和元宇宙（metaverse）等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力而被廣泛研究。

其中，壓容式（Piezocapacitive）柔性壓力傳感器是研究最為廣泛的一類傳感器件。然而，雖然這類傳感器可以檢測靜態(tài)壓力，但其在響應(yīng)動態(tài)刺激方面表現(xiàn)不佳。此外，雖然彈性體可以在納秒級時間范圍內(nèi)響應(yīng)機(jī)械刺激，但是傳統(tǒng)的壓容式柔性壓力傳感器的響應(yīng)-松弛時間通常在幾十毫秒級，而且其對應(yīng)的頻率范圍很窄，只有幾十赫茲。這種低響應(yīng)-松弛速度主要?dú)w因于與粘彈性材料和界面摩擦相關(guān)的能量耗散。柔性介質(zhì)通常是粘彈性材料，在加載-卸載循環(huán)過程中會耗散能量。當(dāng)使用柔性較高的材料檢測微小的壓力時，這種能量損失會更加明顯。此外，在接觸-分離過程中，電極與電介質(zhì)之間的界面摩擦和粘附也會進(jìn)一步造成能量損失。

為了提高響應(yīng)-松弛速度，一種常見的策略是在電介質(zhì)層上設(shè)計微結(jié)構(gòu)表面。這種策略基于以下兩個原理。首先，微結(jié)構(gòu)將更多的彈性能量儲存在更小的形變中，從而降低電介質(zhì)的體積粘彈性。其次，微結(jié)構(gòu)減少了電介質(zhì)和電極之間的接觸面積，從而降低了因界面摩擦和粘附而產(chǎn)生的能量耗散。然而，盡管通過引入微結(jié)構(gòu)減少了能量耗散，但迄今為止，制備的壓容式柔性壓力傳感器的響應(yīng)-松弛時間基本上仍在1毫秒以上。只要使用粘彈性材料，界面間隙持續(xù)存在，這一限制似乎就無法克服。盡管最近有一些進(jìn)展報告稱，傳感器的響應(yīng)-松弛時間可縮短至幾毫秒，但這類傳感器仍不能用于檢測數(shù)百或數(shù)千赫茲的高頻振動，因此仍無法將傳感器應(yīng)用于高頻或聲學(xué)目的。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為解決上述問題，近期，南方科技大學(xué)、中國科學(xué)院等機(jī)構(gòu)的研究人員提出了一種策略，通過將低粘度微結(jié)構(gòu)電介質(zhì)與電極無縫鍵合，將柔性壓容式壓力傳感器的響應(yīng)-松弛時間縮減到約0.04毫秒。其中，電介質(zhì)是通過在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基質(zhì)中分散2 wt%的碳納米管（CNTs）制成的，從而降低了材料粘度和表面粘附力。由于沒有界面間隙，鍵合而成的微結(jié)構(gòu)界面大大減少了摩擦引起的能量耗散。相關(guān)研究成果以“Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10?kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

圖1 通過拓?fù)浠ミB設(shè)計具有鍵合界面的微結(jié)構(gòu)壓力傳感器

圖2 微錐結(jié)構(gòu)對響應(yīng)-松弛時間的影響

圖3 材料對響應(yīng)-松弛時間的影響

進(jìn)一步的研究結(jié)果表明，該研究設(shè)計的傳感器能夠快速響應(yīng)從穩(wěn)態(tài)壓力到10 kHz以上高頻振動的各種刺激。此外，該傳感器在1000 Hz時的頻率分辨率高達(dá)0.2 Hz，并且電容-壓力滯后可忽略不計。這些特性使其能夠應(yīng)用于包括聲學(xué)場景在內(nèi)的動態(tài)壓力檢測。

圖4 該研究開發(fā)的傳感器對高頻機(jī)械振動的傳感性能

基于以上研究結(jié)果，研究人員設(shè)計了基于所開發(fā)的傳感器的人工耳系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)用于聲音檢測。研究人員使用人工耳進(jìn)行了音頻記錄，并將結(jié)果與市售麥克風(fēng)和使用非鍵合傳感器的系統(tǒng)進(jìn)行了比較。圖5e展示了使用市售麥克風(fēng)、鍵合界面?zhèn)鞲衅骱头擎I合界面?zhèn)鞲衅麂浿频母枨癇ury Me Not On The Lone Prairie”的信號。從圖中可以看出，前兩者的波形基本一致，而使用非鍵合界面?zhèn)鞲衅饔涗浀男盘柌ㄐ蝿t明顯失真。進(jìn)一步進(jìn)行的小波變換分析結(jié)果表明，使用市售麥克風(fēng)和鍵合界面?zhèn)鞲衅饔涗浀男盘栐陬l域上高度一致，而使用非鍵合界面?zhèn)鞲衅饔涗浀男盘栍捎趥鞲衅鳠o法捕捉到高頻振動而無法記錄幾百赫茲的高頻信息（圖5f）。這些結(jié)果驗證了該研究設(shè)計的傳感器在聲學(xué)應(yīng)用方面的潛力。

圖5 該研究開發(fā)的傳感器在聲音檢測方面的應(yīng)用

綜上所述，該研究開辟了一條新途徑，可以將壓容式壓力傳感器的響應(yīng)-松弛速度大幅提高到亞毫秒級，并擴(kuò)展其在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47408-z