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導(dǎo)    語

     南方科技大學(xué)郭傳飛中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王柳課題組使用低粘度微結(jié)構(gòu)電介質(zhì)與電極無縫鍵合構(gòu)建微結(jié)構(gòu)粘接界面，有效降低電容式傳感器的界面摩擦和能量耗散，提高傳感器的響應(yīng)-恢復(fù)速度，使其能夠檢測(cè)10kHz以上的高頻振動(dòng)，精確跟蹤動(dòng)態(tài)刺激。該傳感器不僅可用于動(dòng)態(tài)力檢測(cè)，亦適用于聲學(xué)應(yīng)用，相關(guān)結(jié)果發(fā)表于《Nature Communications》。

1、研究背景

    智能可穿戴設(shè)備和元宇宙等領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)柔性壓力傳感器提出了新需求。許多應(yīng)用，如紋理識(shí)別、聲音識(shí)別以及壓力/振動(dòng)檢測(cè)，需要傳感器對(duì)靜態(tài)壓力（通過慢適應(yīng)器）和高頻振動(dòng)（通過快適應(yīng)器）做出反應(yīng)。傳統(tǒng)的柔性電容式壓力傳感器在檢測(cè)靜態(tài)壓力方面表現(xiàn)優(yōu)秀，但在檢測(cè)高頻振動(dòng)時(shí)因其響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)（10~100 ms，對(duì)應(yīng)10~100 Hz的響應(yīng)頻率）。傳統(tǒng)柔性電容式響應(yīng)-恢復(fù)速度較慢主要因?yàn)闄z測(cè)細(xì)微的壓力所需的軟介質(zhì)通常為粘彈性材料，而粘彈性材料在加載-卸載循環(huán)過程中會(huì)帶來能量損失。目前的微結(jié)構(gòu)介電層可以減少能量耗散，但響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間仍在1 ms以上。進(jìn)一步縮短柔性電容式傳感器的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間以用于高頻振動(dòng)或聲學(xué)檢測(cè)仍然面臨挑戰(zhàn)。

2、研究概述

       基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了功能化聚苯胺基時(shí)序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測(cè)和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測(cè)心臟的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電活動(dòng)

       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，將柔性電容式壓電傳感器的低粘度微結(jié)構(gòu)電介質(zhì)與電極無縫鍵合以降低壓力感受過程中的能量耗散以提高響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間。該電容式壓電傳感器的頂部及底部電極為7 wt.%碳納米管(CNTs)分散的PDMS，而中間的介電層為具有錐形微結(jié)構(gòu)的2 wt.% CNT填充的PDMS。通過將電極和介電材料浸泡在三氯甲烷中，電極及介電層中所含的未固化的PDMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)生固化并形成拓?fù)滏溄訌亩鴮?shí)現(xiàn)界面粘接。

      有限元分析(FEA)顯示：100 kPa傳感器壓縮-恢復(fù)實(shí)驗(yàn)過程中帶有間隙的非粘接傳感器電極-電介質(zhì)接觸面積增量（ΔA）迅速增加且應(yīng)力集中在接觸區(qū)域（圖1c），該結(jié)果表明摩擦對(duì)于能量損失超過了加載-卸載過程中的最大彈性能量（圖1e）；相比之下，粘接式壓力傳感器的ΔA則極小甚至可以忽略不計(jì)（圖1d），因此能量損失顯著減少（圖1e），極大的降低了粘接式傳感器的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間。

       進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)顯示粘接式壓力傳感器具有0-350 kPa的廣泛的壓力監(jiān)測(cè)范圍（圖1f），且具有非?？焖俚捻憫?yīng)-恢復(fù)速度，測(cè)試響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均低至0.04ms（圖1g）所示。工作的傳感器具有12,500Hz的寬響應(yīng)頻帶及有0.007 Pa的低檢測(cè)限，因此其能夠檢測(cè)聲波等微小機(jī)械刺激。

圖1  通過拓?fù)浠ミB實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)界面一體化粘接的壓力傳感器設(shè)計(jì)。a 具有非粘接界面的傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)壓力傳感器的示意圖和SEM圖像。b 具有粘接界面的壓力傳感器的示意圖和SEM圖像。c 在加載過程中，非粘接和粘接壓力傳感器的有限元模擬。d 在加載-卸載循環(huán)中，增加的歸一化接觸面積ΔA/D的比較。e 在加載-卸載循環(huán)中，能量損失的歸一化比較。f 有粘接界面的電容器歸一化變化與壓力的關(guān)系。g 粘接界面和非粘接界面的傳感器的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間的比較。h 具有有粘接界面的壓力傳感器與現(xiàn)有的電容傳感器在響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間方面進(jìn)行比較。i 有有粘接界面的壓力傳感器與現(xiàn)有的電容傳感器在可檢測(cè)壓力極限和相應(yīng)頻率范圍方面進(jìn)行比較。（圖片自原文）

      研究人員使用該傳感器為耳蝸，以聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）膜為耳膜，傳感器作為耳蝸，及一個(gè)3D打印的鋁制聽骨連接到人工耳膜和傳感器構(gòu)建了放生人工耳（圖2a）。實(shí)驗(yàn)該系統(tǒng)能夠?qū)?.007Pa的低聲壓做出響應(yīng)，且在0.007-0.16Pa范圍內(nèi)，信號(hào)幅度（ΔC，電容變化）隨聲壓增加呈線性增加（圖2b），在增加和減小聲音強(qiáng)度的過程中未見信號(hào)滯后（圖2c）。此外，在固定的98 dB聲音強(qiáng)度下，系統(tǒng)呈現(xiàn)出頻率高達(dá)5000 Hz的非線性響應(yīng)，并觀察到諧振頻率為200 Hz（圖2d）。進(jìn)一步的音頻錄制實(shí)驗(yàn)顯示，商用麥克風(fēng)和具有粘接界面?zhèn)鞲衅麂浿频男盘?hào)在頻域上高度一致，而非粘接界面?zhèn)鞲衅麂浿频男盘?hào)因傳感器無法捕捉高頻振動(dòng)而未能記錄幾百赫茲的高頻信息進(jìn)而帶來明顯的波形失真（圖2f）。

圖2  具有粘接界面的傳感器在聲音檢測(cè)中的應(yīng)用。a 用于生物系統(tǒng)和人工系統(tǒng)的聲音檢測(cè)示意圖。b 電容變化隨聲壓的變化的關(guān)系。c 電容變化隨聲壓級(jí)別變化的關(guān)系。d 系統(tǒng)在不同聲波頻率下電容的歸一化變化。SPL = 98 dB。e 通過手機(jī)錄制的聲波形，通過具有粘接界面和非粘接界面的傳感器記錄的聲波形。f 在（e）中獲得的聲波形對(duì)應(yīng)的STFT頻譜圖。（圖片自原文）

       實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，具有粘接界面?zhèn)鞲衅鞯娜嵝噪娙菔綁弘妭鞲衅髟诼晫W(xué)傳感中具有極強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

3、研究意義

    本研究提出了一種微結(jié)構(gòu)粘接介電層的柔性電容式壓力傳感器，可以有效降低界面摩擦和能量耗散，將響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間降低至約0.04 ms。該傳感器具有高響應(yīng)-恢復(fù)速度，能夠檢測(cè)超過10千赫茲的振動(dòng)。因此，該傳感器可實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)力學(xué)檢測(cè)，且適用于聲學(xué)應(yīng)用。本研究提出了提高柔性電容式壓力傳感器的傳感器的響應(yīng)-恢復(fù)速度的新策略，使柔性電容式壓力傳感器獲得亞毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，擴(kuò)展了其在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：Zhang, Y., Zhou, X., Zhang, N.et al. Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10 kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces. Nat Commun 15, 3048 (2024). 

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