柔性壓力傳感器可将機械刺激轉換成電信号，以實作與環境的友好互動。電容型柔性壓力傳感器不僅可以檢測靜态壓力，還能同時檢測動态壓力，其信号也較為穩定，是以被廣泛研究與應用。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态壓力的響應時間相差至少6-7個數量級（響應時間為納秒級别，對應頻率帶寬可到億赫茲水準）。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态加載與解除安裝過程中的能量耗散。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-恢複速度的影響，采用微結構界面的一體化粘接技術，将這類傳感器的頻率帶寬從數百赫茲擴充至至少12500 Hz，該研究為推動電容型柔性壓力傳感器從動态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所學生張願、中國科學院深圳先進技術研究院進階工程師周小猛、中國科學技術大學近代力學系碩士研究所學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機關。
通過有限元模拟，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，這在一定程度上導緻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水準。團隊采用摩方精密nanoArch® S130（精度：2 μm）3D列印裝置，實作了微錐結構模闆的高精度列印（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，實作了傳感器的超快響應（圖1）。
圖1. 具有非粘接和粘接微結構界面的傳感器在加載和解除安裝過程中的能量損失對比、粘合微結構界面的傳感器的響應-恢複時間
粘合微錐界面可減少在接觸-分離過程中的能量耗散，進而提高傳感器的響應和恢複速度。研究團隊通過有限元模拟進一步研究了微錐結構對響應和恢複時間的影響。通過調整微錐結構的三個重要參數：高度H、初始接觸面積A0以及直徑D，研究了不同參數的微錐結構對響應和回複時間的影響，進而實作了低能量耗散、高靈敏度和高機械穩定性的平衡（圖2）。
圖2. 不同微錐結構參數對應的能量耗散及靈敏度
這種具有超快響應的柔性壓力傳感器可以檢測高頻振動。研究團隊證明了該傳感器的響應範圍可以從靜态壓力拓展到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的疊加振動信号，還在1000 Hz的頻率下具有0.2 Hz的頻率分辨率（圖3）。
圖3. 具有粘合微結構界面的傳感器對高頻振動的識别
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别能力與商用麥克風幾乎一緻，證明了該傳感器在聲學領域的應用潛力（圖4）。
圖4. 具有粘合和非粘合微結構界面的傳感器及商用麥克風對聲音的識别能力對比
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，這會導緻高的界面能量耗散，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和恢複速度提升提出了新政策，并大幅拓展了其頻率帶寬，為其在聲學及其他領域的應用提供了新的可能性。
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援。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47408-z
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