基于鍵合微結構的壓容式柔性壓力傳感器，實現對機械刺激的超快響應

人類皮膚的觸覺感知是由機械感受器實現的，機械感受器不僅能夠對靜態力做出響應，還能夠對振動刺激做出響應。電子皮膚或柔性壓力傳感器是模仿人類機械感受器功能而構建的新興器件，因其具有在機器人觸覺、人機界面、智能可穿戴設備和元宇宙（metaverse）等領域的應用潛力而被廣泛研究。

其中，壓容式（Piezocapacitive）柔性壓力傳感器是研究最為廣泛的一類傳感器件。然而，雖然這類傳感器可以檢測靜態壓力，但其在響應動態刺激方面表現不佳。此外，雖然彈性體可以在納秒級時間范圍內響應機械刺激，但是傳統的壓容式柔性壓力傳感器的響應-松弛時間通常在幾十毫秒級，而且其對應的頻率范圍很窄，只有幾十赫茲。這種低響應-松弛速度主要歸因于與粘彈性材料和界面摩擦相關的能量耗散。柔性介質通常是粘彈性材料，在加載-卸載循環過程中會耗散能量。當使用柔性較高的材料檢測微小的壓力時，這種能量損失會更加明顯。此外，在接觸-分離過程中，電極與電介質之間的界面摩擦和粘附也會進一步造成能量損失。

為了提高響應-松弛速度，一種常見的策略是在電介質層上設計微結構表面。這種策略基于以下兩個原理。首先，微結構將更多的彈性能量儲存在更小的形變中，從而降低電介質的體積粘彈性。其次，微結構減少了電介質和電極之間的接觸面積，從而降低了因界面摩擦和粘附而產生的能量耗散。然而，盡管通過引入微結構減少了能量耗散，但迄今為止，制備的壓容式柔性壓力傳感器的響應-松弛時間基本上仍在1毫秒以上。只要使用粘彈性材料，界面間隙持續存在，這一限制似乎就無法克服。盡管最近有一些進展報告稱，傳感器的響應-松弛時間可縮短至幾毫秒，但這類傳感器仍不能用于檢測數百或數千赫茲的高頻振動，因此仍無法將傳感器應用于高頻或聲學目的。

據麥姆斯咨詢報道，為解決上述問題，近期，南方科技大學、中國科學院等機構的研究人員提出了一種策略，通過將低粘度微結構電介質與電極無縫鍵合，將柔性壓容式壓力傳感器的響應-松弛時間縮減到約0.04毫秒。其中，電介質是通過在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基質中分散2 wt%的碳納米管（CNTs）制成的，從而降低了材料粘度和表面粘附力。由于沒有界面間隙，鍵合而成的微結構界面大大減少了摩擦引起的能量耗散。相關研究成果以“Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10?kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces”為題發表在Nature Communications期刊上。

圖1 通過拓撲互連設計具有鍵合界面的微結構壓力傳感器

圖2 微錐結構對響應-松弛時間的影響

圖3 材料對響應-松弛時間的影響

進一步的研究結果表明，該研究設計的傳感器能夠快速響應從穩態壓力到10 kHz以上高頻振動的各種刺激。此外，該傳感器在1000 Hz時的頻率分辨率高達0.2 Hz，并且電容-壓力滯后可忽略不計。這些特性使其能夠應用于包括聲學場景在內的動態壓力檢測。

圖4 該研究開發的傳感器對高頻機械振動的傳感性能

基于以上研究結果，研究人員設計了基于所開發的傳感器的人工耳系統，并將該系統用于聲音檢測。研究人員使用人工耳進行了音頻記錄，并將結果與市售麥克風和使用非鍵合傳感器的系統進行了比較。圖5e展示了使用市售麥克風、鍵合界面傳感器和非鍵合界面傳感器錄制的歌曲“Bury Me Not On The Lone Prairie”的信號。從圖中可以看出，前兩者的波形基本一致，而使用非鍵合界面傳感器記錄的信號波形則明顯失真。進一步進行的小波變換分析結果表明，使用市售麥克風和鍵合界面傳感器記錄的信號在頻域上高度一致，而使用非鍵合界面傳感器記錄的信號由于傳感器無法捕捉到高頻振動而無法記錄幾百赫茲的高頻信息（圖5f）。這些結果驗證了該研究設計的傳感器在聲學應用方面的潛力。

圖5 該研究開發的傳感器在聲音檢測方面的應用

綜上所述，該研究開辟了一條新途徑，可以將壓容式壓力傳感器的響應-松弛速度大幅提高到亞毫秒級，并擴展其在聲學領域的應用。

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