Nano energy：一种含微凸点阵列的超高灵敏度和稳定性的柔性电容式压力传感器，可用于运动和健康监测

【背景】

近年来，柔性传感器在可穿戴设备、人机交互和运动健康等领域发挥重要作用，高灵敏度、低检测极限、工作压力范围宽和响应速度快的柔性压力传感器引起广泛关注。本文中，基于具有微凸点阵列的柔性电极和超薄介电层制备的柔性电容式压力传感器具有30.2 kPa^-1的超高灵敏度（0-130 Pa）、25 ms的快速响应时间、0.7 Pa的低检测极限和100000次循环的极高稳定性而无衰弱。有限元分析表明，两个电极之间的接触面积和距离的变化对实现传感器对外部刺激的优越性能有重要影响。此柔性传感器在监测生理信号和机器手抓握动作方面亦有优异表现，表明其在可穿戴智能电子设备中具有广阔应用前景。

【成果简介】

近期，中国科学院深圳先进技术研究院朱朋莉研究员、胡友根副研究员共同通讯在Nano Energy上发表了题为“A Flexible, Ultra-Highly Sensitive and Stable Capacitive Pressure Sensor with Convex Microarrays for Motion and Health Monitoring”的研究论文（第一作者为中国科学院大学硕士研究生熊耀旭）。该研究开发了一种超高灵敏度的柔性电容式压力传感器，该传感器由两个带有表面微凸点阵列的PDMS-Au电极和一个超薄PVDF介电层集成而成。实验采用简单且低成本的策略，通过胶体自组装和两步复制过程制备微凸点阵列，并通过简便的旋涂方法制备PVDF膜。制备出的柔性电容式压力传感器具有30.2 kPa^-1的超高灵敏度（<130 Pa），低检测极限（0.7 Pa）和极高的稳定性（100000个循环）。基于卓越的性能，该传感器在监测呼吸、发音、身体运动以及机器手抓握等信号的应用得到了进一步展示，其结果具有出色的稳定性和高信噪比。此外，通过有限元分析分析两个电极之间的接触面积和距离的变化，表明电极表面的微凸点阵列结构和超薄介电层协同作用提高了传感器的灵敏度。

【图文导读】

图1.具有微凸点阵列的柔性电容式压力传感器的制造过程示意图

(a) 聚苯乙烯（PS）球在溶剂/空气界面处的自组装；

(b) 溶剂蒸发后，玻璃表面上的单层PS球阵列；

(c) 在PS球阵列的表面上旋涂并热固化第一PDMS层；

(d) 溶解PS球后，具有表面凹入微结构的PDMS膜；

(e) 在第一固化的PDMS膜上旋涂第二PDMS层并对其进行热固化；

(f) 具有表面凸微结构的第二固化PDMS；

(g) 在具有凸微结构的PDMS膜的表面上溅射Au层；

(h-k) 通过在玻璃基板上旋涂PVDF/NMP溶液，然后加热干燥制备PVDF膜；

(l) 通过依次叠加底部PDMS-Au电极、中间PVDF介电层和顶部PDMS-Au电极来集成压力传感器；

(m) 传感器的集成封装结构；

(n) 封装传感器的柔性演示。

图2.夹心式柔性压力传感器的截面SEM图像

(a) 自组装PS微球阵列的SEM图像；

(b) 具有表面凹形微观结构的PDMS膜的SEM图像；

(c) 具有表面凸微结构的PDMS膜的SEM图像；

(d) PVDF膜的SEM图像和厚度测量；

(e) 柔性压力传感器的横截面SEM图像；

(f) (e)的局部放大图像。

图3. 不同传感器及灵敏度对比

(a) 不同柔性传感器的灵敏度比较；

(b) 介电层厚度和接触面积对灵敏度的影响；

(c) FCPS-FD受力时距离和接触面积变化的示意图；

(d) FCPS-MD受力时距离和接触面积变化的示意图。

图4.柔性电容式压力传感器的仿真结果

(a) 柔性电容压力传感器组成图；

(b) 外部压力下传感器的接触区域示意图；

(c) FCPS-FD4的受力分析云图；

(d) FCPS-MD4的受力分析云图；

(e) FCPS-MD7的受力分析云图；

(f) FCPS-MD10的受力分析云图；

(g) FEA模拟接触面积变化的结果；

(h) FEA模拟两个微结构电极之间的距离；

(i) FEA模拟两个扁平电极之间的距离；

(j) FEA模拟微阵列传感器的A/d结果。

图5.压力传感器的测试

(a) FCPS-MD4的响应时间，放大图显示了曲线的蓝色部分，它对应于压力的加载/卸载；

(b) 进行LOD测试时，几个加载/卸载周期的相应电容信号；

(c) 在15 Pa的压力下对FCPS-MD4进行的稳定性测试（高达100000个循环），部分放大的图片显示了不同循环阶段电容值的变化。

图6. FCPS-MD4的各种应用

(a) FCPS-MD4在检测物理信号中的示意图；

(b) 通过将传感器贴在人中来检测呼吸频率；

(c) 检测由多个字母“ S”，“ I”，“ A”和“ T”引起的声带振动信号；

(d) 检测由“sensor”，“better”和“life”多个词引起的声带振动信号；

(e) 检测由“we are family”引起的声带振动信号；

(f-g) 实时检测脉搏信号；

(h) 检测弯曲角度为60°和30°的肘部弯曲运动；

(i) 检测腿部弯曲动作；

(j) 电容式传感器阵列检测压力分布的云图。

图7.实时监控机器人抓手

(a) 机器手抓取物体的信号记录示意图；

(b) 机器手抓物体时的四个代表性手势；

(c-e) 传感器监控的电信号图，这些物体分别是海绵，番茄和苹果。

【小结】

总而言之，我们通过一种简便、低成本的策略，制备出一种基于微凸点阵列电极和超薄介电层的柔性电容式压力传感器。该传感器具有30.2 kPa^-1的超高灵敏度（<130 Pa）、0.7 Pa的检测下限、25 ms的快速响应时间以及在100000次循环后的出色稳定性。FEA结果表明，当在传感器上施加外部压力时，微阵列电极和超薄介电层的协同作用导致接触面积显着增加，电极之间距离减小，从而导致传感器灵敏度较大提升。与此同时，该传感器已成功应用于监测各种人体生物信号和机械手的动作，在智慧医疗健康、自动语音识别（ASR）等领域的应用表现出良好的应用潜力。

文献链接

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

本文由材料人编辑luna编译供稿，材料牛整理编辑。

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