随着生理信号监测、医疗诊断、运动检测和人机交互等领域的飞速发展，开发具有高性能和多功能的柔性电子皮肤具有重要意义。尤其是具有高灵敏度的可穿戴柔性压力传感器，其在触摸式柔性显示器、微振动检测、血压测定、心律分析等方面展现出了巨大的前景。其中，压阻式柔性传感器因其制备过程简单、能耗低等优点备受关注。然而，能够媲美和超越人体皮肤传感特性的传感器在结构设计和材料选择上仍面临着挑战。
中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、朱光教授，宁波诺丁汉大学LiHuayang等人提出了一种高效、低成本的制造策略，通过将取向的镀镍碳纤维 (NICF) 嵌入聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 基板中来构建具有超高灵敏度的柔性压力传感器。该传感器具有出色的灵敏度 (15525 kPa-1)、快速响应时间 (30 ms) 以及超过3000次加载-卸载循环的良好稳定性。此外，基于其卓越的传感特性与优异的稳定性，作者进一步开发了完整的传感器阵列，实现了对不同频率和强度水波的监测与识别。这项工作为多场景医疗保健监测、多尺度压力空间分布和人机交互中提高传感器灵敏度提供了一种很有前景的方法。该研究以题为“A Flexible and Ultra-Highly Sensitive Tactile Sensor through a Parallel Circuit by a Magnetic Aligned Conductive Composite”的论文发表在《ACS Nano》上。
【传感器的合成与表征】
该传感器由含有取向NICF的PDMS复合层、叉指电极和铜网组成。作者将NICF添加到未固化的PDMS中以形成复合材料，然后将其转移到底部有铜网的模具中。在固化过程中，作者施加一个垂直分布的0.2 T均匀磁场，使得NICF与外部磁场方向对齐。待样品完全固化后，留下随机分布的棘突表面。同时，铜网与复合层粘合在一起，作为底部电极。作者通过在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上激光雕刻和真空溅射镀铜来将叉指电极固定在棘突顶部表面。类似皮肤随机分布的棘突表面将提高传感器的灵敏度。此外，复合层的横截面图像显示取向的NICF垂直于传感器的顶面，这样形成的并联电路进一步提高了传感器的灵敏度。
图1 磁取向导电复合材料的制备工艺及表征
【传感器的压力传感特性】
与NICF没有取向分布在PDMS中的传感器相比，取向分布的传感器的灵敏度表现出巨大的增强。此外，类似皮肤的棘突结构对灵敏度也有很大提升。因此，取向结构和随机分布的棘突结构在提高压力传感器的灵敏度方面起着重要作用，使得传感器显示出比大多数以前报道的压力传感器更高的灵敏度 (15525 kPa-1) 和更高的线性范围。在3 kPa的压力下，传感器的电流曲线在0.5到2 Hz的频率范围内没有明显的频率依赖性，表明压力传感器在不同频率下能保持灵敏且稳定。传感器在3 kPa压力下的响应和弛豫时间分别为30和31 ms，显示出了快速的压力响应。此外，传感器具有良好的机械稳定性，在50 kPa压力下反复加载-卸载3000次循环后，电流没有明显下降。结果表明，传感器具有优异的灵敏度和稳定性。
图2传感器的压力传感特性
图3传感器的工作机制
【压力传感器的应用】
基于柔性传感器的超高灵敏度和简单的制备过程，作者将传感器组合成传感阵列以感知各种触觉刺激强度和空间分布。作者制备了夹在两层薄膜之间的8×8单元的柔性传感阵列，当触摸传感阵列时，电流强度可以明显地识别该触摸区域。于是，作者将其用于波浪压力监测。结果表明，该传感器可用于感知不同频率和强度的波，甚至可以识别游动的鱼引起的波浪。当鱼的不同部位游过传感器时，它可以产生不同的电流信号。例如，游动的鱼尾巴引起的波浪会导致持续而强烈的信号，而当鱼的身体经过时会产生散射而微弱的信号。因此，作者证明了该传感器具有优异的波压识别能力，可用于水波的监测和识别。
图4压力传感器在波浪监测中的应用
总结：作者开发了一种具有超高灵敏度的柔性压力传感器，其优异的性能来自于由取向NICF构建的并联电路以及类似皮肤随机分布的棘突微结构，从而能在加载很小的压力时产生巨大的电阻变化。作者进一步开发了完整的传感器阵列，用于压力分布映射、水状态监测和波浪识别。该工作提供了一种有效、低成本的策略来提高柔性触觉传感器的灵敏度，在医疗监测、生物传感和人机交互等领域展现出广阔的应用前景。
来源：高分子科学前沿
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