電容型柔性壓力傳感器在智能機器人、可穿戴電子產(chǎn)品、人機交互等領(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。基于離-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，杭州師范大學材料與化學化工學院朱雨田教授團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。杭州師范大學材料與化學化工學院研究生王靜為第一作者，杭州師范大學材料與化學化工學院朱雨田教授、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。當施加在傳感器上的壓力進一步增加時，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H₃PO₄與PVA的比值從0.4增加到1.2時，傳感器在1 N負載下的ΔC/C₀值從18.72增加到81.76 （圖3a-c）。這是因為當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，當介電層中H₃PO₄含量進一步增加時，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238 kPa，其靈敏度在低壓下高達47.65 kPa^-1。除了壓力檢測量程和壓力靈敏度外，在循環(huán)負載下壓力響應(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"盲文信息的識別，（f）傳感器陣列的光學照片和圖片，（g）“H"、“Z"、“N"、“U"壓力圖的識別。