Nano energy：一種含微凸點陣列的超高靈敏度和穩定性的柔性電容式壓力傳感器，可用于運動和健康監測

【背景】

近年來，柔性傳感器在可穿戴設備、人機交互和運動健康等領域發揮重要作用，高靈敏度、低檢測極限、工作壓力范圍寬和響應速度快的柔性壓力傳感器引起廣泛關注。本文中，基于具有微凸點陣列的柔性電極和超薄介電層制備的柔性電容式壓力傳感器具有30.2 kPa^-1的超高靈敏度（0-130 Pa）、25 ms的快速響應時間、0.7 Pa的低檢測極限和100000次循環的極高穩定性而無衰弱。有限元分析表明，兩個電極之間的接觸面積和距離的變化對實現傳感器對外部刺激的優越性能有重要影響。此柔性傳感器在監測生理信號和機器手抓握動作方面亦有優異表現，表明其在可穿戴智能電子設備中具有廣闊應用前景。

【成果簡介】

近期，中國科學院深圳先進技術研究院朱朋莉研究員、胡友根副研究員共同通訊在Nano Energy上發表了題為“A Flexible, Ultra-Highly Sensitive and Stable Capacitive Pressure Sensor with Convex Microarrays for Motion and Health Monitoring”的研究論文（第一作者為中國科學院大學碩士研究生熊耀旭）。該研究開發了一種超高靈敏度的柔性電容式壓力傳感器，該傳感器由兩個帶有表面微凸點陣列的PDMS-Au電極和一個超薄PVDF介電層集成而成。實驗采用簡單且低成本的策略，通過膠體自組裝和兩步復制過程制備微凸點陣列，并通過簡便的旋涂方法制備PVDF膜。制備出的柔性電容式壓力傳感器具有30.2 kPa^-1的超高靈敏度（<130 Pa），低檢測極限（0.7 Pa）和極高的穩定性（100000個循環）。基于卓越的性能，該傳感器在監測呼吸、發音、身體運動以及機器手抓握等信號的應用得到了進一步展示，其結果具有出色的穩定性和高信噪比。此外，通過有限元分析分析兩個電極之間的接觸面積和距離的變化，表明電極表面的微凸點陣列結構和超薄介電層協同作用提高了傳感器的靈敏度。

【圖文導讀】

圖1.具有微凸點陣列的柔性電容式壓力傳感器的制造過程示意圖

(a) 聚苯乙烯（PS）球在溶劑/空氣界面處的自組裝；

(b) 溶劑蒸發后，玻璃表面上的單層PS球陣列；

(c) 在PS球陣列的表面上旋涂并熱固化第一PDMS層；

(d) 溶解PS球后，具有表面凹入微結構的PDMS膜；

(e) 在第一固化的PDMS膜上旋涂第二PDMS層并對其進行熱固化；

(f) 具有表面凸微結構的第二固化PDMS；

(g) 在具有凸微結構的PDMS膜的表面上濺射Au層；

(h-k) 通過在玻璃基板上旋涂PVDF/NMP溶液，然后加熱干燥制備PVDF膜；

(l) 通過依次疊加底部PDMS-Au電極、中間PVDF介電層和頂部PDMS-Au電極來集成壓力傳感器；

(m) 傳感器的集成封裝結構；

(n) 封裝傳感器的柔性演示。

圖2.夾心式柔性壓力傳感器的截面SEM圖像

(a) 自組裝PS微球陣列的SEM圖像；

(b) 具有表面凹形微觀結構的PDMS膜的SEM圖像；

(c) 具有表面凸微結構的PDMS膜的SEM圖像；

(d) PVDF膜的SEM圖像和厚度測量；

(e) 柔性壓力傳感器的橫截面SEM圖像；

(f) (e)的局部放大圖像。

圖3. 不同傳感器及靈敏度對比

(a) 不同柔性傳感器的靈敏度比較；

(b) 介電層厚度和接觸面積對靈敏度的影響；

(c) FCPS-FD受力時距離和接觸面積變化的示意圖；

(d) FCPS-MD受力時距離和接觸面積變化的示意圖。

圖4.柔性電容式壓力傳感器的仿真結果

(a) 柔性電容壓力傳感器組成圖；

(b) 外部壓力下傳感器的接觸區域示意圖；

(c) FCPS-FD4的受力分析云圖；

(d) FCPS-MD4的受力分析云圖；

(e) FCPS-MD7的受力分析云圖；

(f) FCPS-MD10的受力分析云圖；

(g) FEA模擬接觸面積變化的結果；

(h) FEA模擬兩個微結構電極之間的距離；

(i) FEA模擬兩個扁平電極之間的距離；

(j) FEA模擬微陣列傳感器的A/d結果。

圖5.壓力傳感器的測試

(a) FCPS-MD4的響應時間，放大圖顯示了曲線的藍色部分，它對應于壓力的加載/卸載；

(b) 進行LOD測試時，幾個加載/卸載周期的相應電容信號；

(c) 在15 Pa的壓力下對FCPS-MD4進行的穩定性測試（高達100000個循環），部分放大的圖片顯示了不同循環階段電容值的變化。

圖6. FCPS-MD4的各種應用

(a) FCPS-MD4在檢測物理信號中的示意圖；

(b) 通過將傳感器貼在人中來檢測呼吸頻率；

(c) 檢測由多個字母“ S”，“ I”，“ A”和“ T”引起的聲帶振動信號；

(d) 檢測由“sensor”，“better”和“life”多個詞引起的聲帶振動信號；

(e) 檢測由“we are family”引起的聲帶振動信號；

(f-g) 實時檢測脈搏信號；

(h) 檢測彎曲角度為60°和30°的肘部彎曲運動；

(i) 檢測腿部彎曲動作；

(j) 電容式傳感器陣列檢測壓力分布的云圖。

圖7.實時監控機器人抓手

(a) 機器手抓取物體的信號記錄示意圖；

(b) 機器手抓物體時的四個代表性手勢；

(c-e) 傳感器監控的電信號圖，這些物體分別是海綿，番茄和蘋果。

【小結】

總而言之，我們通過一種簡便、低成本的策略，制備出一種基于微凸點陣列電極和超薄介電層的柔性電容式壓力傳感器。該傳感器具有30.2 kPa^-1的超高靈敏度（<130 Pa）、0.7 Pa的檢測下限、25 ms的快速響應時間以及在100000次循環后的出色穩定性。FEA結果表明，當在傳感器上施加外部壓力時，微陣列電極和超薄介電層的協同作用導致接觸面積顯著增加，電極之間距離減小，從而導致傳感器靈敏度較大提升。與此同時，該傳感器已成功應用于監測各種人體生物信號和機械手的動作，在智慧醫療健康、自動語音識別（ASR）等領域的應用表現出良好的應用潛力。

文獻鏈接

A Flexible, Ultra-Highly Sensitive and Stable Capacitive Pressure Sensor with Convex Microarrays for Motion and Health Monitoring

本文由材料人編輯luna編譯供稿，材料牛整理編輯。

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