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     南方科技大学郭传飞中国科学技术大学王柳课题组使用低粘度微结构电介质与电极无缝键合构建微结构粘接界面，有效降低电容式传感器的界面摩擦和能量耗散，提高传感器的响应-恢复速度，使其能够检测10kHz以上的高频振动，精确跟踪动态刺激。该传感器不仅可用于动态力检测，亦适用于声学应用，相关结果发表于《Nature Communications》。

1、研究背景

    智能可穿戴设备和元宇宙等领域的发展对柔性压力传感器提出了新需求。许多应用，如纹理识别、声音识别以及压力/振动检测，需要传感器对静态压力（通过慢适应器）和高频振动（通过快适应器）做出反应。传统的柔性电容式压力传感器在检测静态压力方面表现优秀，但在检测高频振动时因其响应-恢复时间较长（10~100 ms，对应10~100 Hz的响应频率）。传统柔性电容式响应-恢复速度较慢主要因为检测细微的压力所需的软介质通常为粘弹性材料，而粘弹性材料在加载-卸载循环过程中会带来能量损失。目前的微结构介电层可以减少能量耗散，但响应-恢复时间仍在1 ms以上。进一步缩短柔性电容式传感器的响应-恢复时间以用于高频振动或声学检测仍然面临挑战。

2、研究概述

       基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动

       南方科技大学、中国科学院等机构的研究人员提出了一种策略，将柔性电容式压电传感器的低粘度微结构电介质与电极无缝键合以降低压力感受过程中的能量耗散以提高响应-恢复时间。该电容式压电传感器的顶部及底部电极为7 wt.%碳纳米管(CNTs)分散的PDMS，而中间的介电层为具有锥形微结构的2 wt.% CNT填充的PDMS。通过将电极和介电材料浸泡在三氯甲烷中，电极及介电层中所含的未固化的PDMS网络发生固化并形成拓扑链接从而实现界面粘接。

      有限元分析(FEA)显示：100 kPa传感器压缩-恢复实验过程中带有间隙的非粘接传感器电极-电介质接触面积增量（ΔA）迅速增加且应力集中在接触区域（图1c），该结果表明摩擦对于能量损失超过了加载-卸载过程中的最大弹性能量（图1e）；相比之下，粘接式压力传感器的ΔA则极小甚至可以忽略不计（图1d），因此能量损失显著减少（图1e），极大的降低了粘接式传感器的响应-恢复时间。

       进一步实验显示粘接式压力传感器具有0-350 kPa的广泛的压力监测范围（图1f），且具有非常快速的响应-恢复速度，测试响应时间和恢复时间均低至0.04ms（图1g）所示。工作的传感器具有12,500Hz的宽响应频带及有0.007 Pa的低检测限，因此其能够检测声波等微小机械刺激。

图1  通过拓扑互连实现微结构界面一体化粘接的压力传感器设计。a 具有非粘接界面的传统微结构压力传感器的示意图和SEM图像。b 具有粘接界面的压力传感器的示意图和SEM图像。c 在加载过程中，非粘接和粘接压力传感器的有限元模拟。d 在加载-卸载循环中，增加的归一化接触面积ΔA/D的比较。e 在加载-卸载循环中，能量损失的归一化比较。f 有粘接界面的电容器归一化变化与压力的关系。g 粘接界面和非粘接界面的传感器的响应-恢复时间的比较。h 具有有粘接界面的压力传感器与现有的电容传感器在响应时间和恢复时间方面进行比较。i 有有粘接界面的压力传感器与现有的电容传感器在可检测压力极限和相应频率范围方面进行比较。（图片自原文）

      研究人员使用该传感器为耳蜗，以聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）膜为耳膜，传感器作为耳蜗，及一个3D打印的铝制听骨连接到人工耳膜和传感器构建了放生人工耳（图2a）。实验该系统能够对0.007Pa的低声压做出响应，且在0.007-0.16Pa范围内，信号幅度（ΔC，电容变化）随声压增加呈线性增加（图2b），在增加和减小声音强度的过程中未见信号滞后（图2c）。此外，在固定的98 dB声音强度下，系统呈现出频率高达5000 Hz的非线性响应，并观察到谐振频率为200 Hz（图2d）。进一步的音频录制实验显示，商用麦克风和具有粘接界面传感器录制的信号在频域上高度一致，而非粘接界面传感器录制的信号因传感器无法捕捉高频振动而未能记录几百赫兹的高频信息进而带来明显的波形失真（图2f）。

图2  具有粘接界面的传感器在声音检测中的应用。a 用于生物系统和人工系统的声音检测示意图。b 电容变化随声压的变化的关系。c 电容变化随声压级别变化的关系。d 系统在不同声波频率下电容的归一化变化。SPL = 98 dB。e 通过手机录制的声波形，通过具有粘接界面和非粘接界面的传感器记录的声波形。f 在（e）中获得的声波形对应的STFT频谱图。（图片自原文）

       实验结果证明，具有粘接界面传感器的柔性电容式压电传感器在声学传感中具有极强的应用潜力。

3、研究意义

    本研究提出了一种微结构粘接介电层的柔性电容式压力传感器，可以有效降低界面摩擦和能量耗散，将响应-恢复时间降低至约0.04 ms。该传感器具有高响应-恢复速度，能够检测超过10千赫兹的振动。因此，该传感器可实现实现动态力学检测，且适用于声学应用。本研究提出了提高柔性电容式压力传感器的传感器的响应-恢复速度的新策略，使柔性电容式压力传感器获得亚毫秒级的响应时间，扩展了其在声学领域的应用。

参考文献：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