電容型柔性壓力傳感器在智能機(jī)器人、可穿戴電子產(chǎn)品、人機(jī)交互等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電容型壓力傳感器由于受介電層壓縮性和單位面積電容（UAC）的限制，其靈敏度和檢測精度均較低。近年來，由離子凝膠基介電層和柔性電極組成的電容型離-電式壓力傳感器因其具有高靈敏度、高檢測精度受到廣泛關(guān)注?；陔x-電式壓力傳感器的雙電層（EDL）原理，傳感器輸出電容信號的變化主要取決于其內(nèi)部介電層/電極界面的演變。因此，對介電層/電極層界面進(jìn)行有效設(shè)計是獲得高性能離-電式壓力傳感器的關(guān)鍵。除了優(yōu)異的傳感性能外，光學(xué)透明度也是傳感器在電子皮膚、可穿戴電子產(chǎn)品等應(yīng)用中所必需的。目前，壓力傳感器如何同時具備高靈敏度、寬響應(yīng)量程和良好的透明度仍然是一個挑戰(zhàn)。

基于此，杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院朱雨田教授團(tuán)隊基于麥芒仿生多級結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)了一種兼具高靈敏和寬量程的離-電式壓力傳感器。該麥芒分層結(jié)構(gòu)是利用摩方精密 microArch^® S240（精度：10 μm）3D打印設(shè)備加工模具后經(jīng)聚乙烯醇（PVA）/磷酸（H₃PO₄）翻模制備而成。

相關(guān)研究成果以“Highly sensitive and wide-range iontronic pressure sensors with a wheat awn-like hierarchical structure"為題發(fā)表在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院研究生王靜為第一作者，杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院朱雨田教授、陳建聞副教授為共同通訊作者。

基于麥芒仿生結(jié)構(gòu)的離-電式柔性壓力傳感器是由兩個柔性透明電極層（銀納米線（AgNWs）/聚氨酯（TPU）/離子液體（IL））和一個具有麥芒仿生陣列結(jié)構(gòu)的PVA/H₃PO₄介電層以“三明治"結(jié)構(gòu)組裝形成（圖1）。EDL在PVA/H₃PO₄介電層與AgNWs/TPU/IL透明電極層的界面處形成。在施加外力之前，對于頂部電容器，界面接觸只發(fā)生在PVA/H₃PO₄陣列頂部與電極層之間（圖1d₁）。此時，只有少量離子被吸引到電極表面，因此，EDL電容值較低。施加外力后，PVA/H₃PO₄介電層中的金字塔向同一方向傾斜，導(dǎo)致頂部電極與介電層的界面接觸增多（圖1d₂）。同時，AgNWs的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變得更加致密，底部電極與介電層之間的界面接觸更加緊密。因此，傳感器的電容值隨著介電層與電極界面接觸面積的增加而顯著增大。當(dāng)施加在傳感器上的壓力進(jìn)一步增加時，PVA/H₃PO₄金字塔繼續(xù)傾斜，從而導(dǎo)致傳感器的電容持續(xù)增加（圖1d₃）。因此，基于麥芒仿生結(jié)構(gòu)的PVA/H₃PO₄介電層的特別結(jié)構(gòu)演變將賦予該離-電式柔性壓力傳感器高靈敏度和寬檢測量程。

圖1. （a）透明電極的制備，（b）具有麥芒仿生結(jié)構(gòu)介電層的制備，（c）所制備傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，（d）壓力傳感器響應(yīng)機(jī)制示意圖。

電極和介電層的微觀形貌對離-電式柔性壓力傳感器的壓力傳感性能具有重要影響。從電極和介電層的SEM圖像可以看出，PVA/H₃PO₄介電層表面存在數(shù)個向同一方向傾斜的金字塔狀陣列結(jié)構(gòu)，與麥芒的結(jié)構(gòu)相似。這些金字塔朝同一方向傾斜10 °，金字塔狀結(jié)構(gòu)寬為300 mm、高為800 mm（圖2a₁, a₂, b₁, b₂）。從電極的微觀掃描圖可以看到大部分AgNWs均勻嵌入TPU基體中，少數(shù)AgNWs位于TPU基體表面（圖2c₁, c₂）。此外，AgNWs的直徑和長度分別約為110 nm 和20 mm，所制備的AgNWs具有大的長徑比，這有利于AgNWs之間相互搭接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

圖2. （a₁，a₂）PVA/H₃PO₄介電層的俯視SEM圖像，（b₁，b₂）PVA/H₃PO₄介電層截面SEM圖像，（c₁）AgNWs的SEM圖像，（c₂）AgNWs/TPU/IL電極的SEM圖像，（d-f）麥芒狀PVA/H₃PO₄介電層加載前后形貌演變的SEM圖。

將不同H₃PO₄含量的PVA/H₃PO₄介電層定義為PVA/H₃PO₄（x），其中x表示H₃PO₄與PVA的質(zhì)量比。隨后，對比了不同PVA/H₃PO₄(x)介電層的離-電式壓力傳感器在外加壓力下的相對電容變化（ΔC/C₀，ΔC=C-C₀，C為實時電容值，C₀為初始電容值）。當(dāng)H₃PO₄與PVA的比值從0.4增加到1.2時，傳感器在1 N負(fù)載下的ΔC/C₀值從18.72增加到81.76 （圖3a-c）。這是因為當(dāng)H₃PO₄與PVA的比例增加時，介電層模量的降低會導(dǎo)致EDL界面的變形和接觸面積增大。然而，當(dāng)介電層中H₃PO₄含量進(jìn)一步增加時，傳感器的C₀顯著增加，導(dǎo)致ΔC降低。因此，傳感器的ΔC/C₀值顯著降低（圖3d）。

圖3. 基于PVA/H₃PO₄(0.4)（a）、PVA/H₃PO₄(0.8)（b）、PVA/H₃PO₄(1.2)（c）和PVA/H₃PO₄(1.6)（d）的傳感器在0.1 N、0.5 N和1.0 N負(fù)載下的相對電容變化。

從壓縮過程中傳感器的ΔC/C₀隨壓力變化的演變曲線（圖4a）可知，由于介電層/電極界面接觸面積的連續(xù)變化，該壓力傳感器的有效檢測量程可達(dá)238 kPa，其靈敏度在低壓下高達(dá)47.65 kPa^-1。除了壓力檢測量程和壓力靈敏度外，在循環(huán)負(fù)載下壓力響應(yīng)信號的穩(wěn)定性在應(yīng)用中也至關(guān)重要。該傳感器在小壓力（100 Pa）和較大壓力（150 kPa）刺激下的壓縮/釋放循環(huán)測試中均表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性（圖4b, c）。在0.025 N-0.1 N-0.025 N范圍內(nèi)壓縮/釋放循環(huán)測試過程中，該傳感器能夠精確地識別壓力變化并輸出相應(yīng)的電容信號，而且其壓力響應(yīng)信號的可重復(fù)性高（圖4d）。此外，本工作還研究了不同加載速率（3 mm/min、5 mm/min、7 mm/min、9 mm/min）下，傳感器在0.1 N壓力下的電容響應(yīng)信號（圖4e）。顯然，電容信號與加載速率無關(guān)，從而進(jìn)一步保證了傳感器的可靠性。該傳感器的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為13 ms 和12 ms （圖4f），明顯低于人體皮膚的響應(yīng)/恢復(fù)時間（幾十到幾百毫秒）。在超6000 次的循環(huán)加載測試中，該傳感器電容信號的振幅沒有明顯下降（圖4g），說明該離-電式壓力傳感器具有出色的重復(fù)性、穩(wěn)定性和耐用性。

圖4.（a）基于麥芒仿生結(jié)構(gòu)介電層的傳感器在0 ~ 238.65 kPa壓力范圍內(nèi)的ΔC/C0演變曲線，（b）在100 Pa循環(huán)加載下的ΔC/C0演變曲線，（c）在100 Pa循環(huán)加載下的ΔC/C0演變曲線，（d）在不同力（0.025 N、0.05 N 和 0.1 N）加載下的ΔC/C0演變曲線，（e）在不同加載速率（3、5、7、9 mm/min）下對0.1 N加載下的ΔC/C0演變曲線，（f）離-電式壓力傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)時間，（g）在加載壓力為0.05 N、加載速度為5 mm/min條件下的6000次循環(huán)試驗中傳感器的ΔC/C0演變曲線。

圖5.（a）傳感器對水滴產(chǎn)生的微弱壓力刺激產(chǎn)生的電容響應(yīng)信號，（b）傳感器檢測到的脈沖信號，它清晰地顯示了脈沖信號的三個特征波，（c）傳感器檢測的人體運動的電容響應(yīng)，（d）“sensor"信息的加密和翻譯，（e）對“化學(xué)"盲文信息的識別，（f）傳感器陣列的光學(xué)照片和圖片，（g）“H"、“Z"、“N"、“U"壓力圖的識別。