中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
人類(lèi)皮膚的觸覺(jué)感知是由機械感受器實(shí)現的，機械感受器不僅能夠對靜態(tài)力做出響應，還能夠對振動(dòng)刺激做出響應。電子皮膚或柔性壓力傳感器是模仿人類(lèi)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(jué)、人機界面、智能可穿戴設備和元宇宙（metaverse）等領(lǐng)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(lèi)傳感器件。然而，雖然這類(lèi)傳感器可以檢測靜態(tài)壓力，但其在響應動(dòng)態(tài)刺激方面表現不佳。此外，雖然彈性體可以在納秒級時(shí)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(shí)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(guān)的能量耗散。柔性介質(zhì)通常是粘彈性材料，在加載-卸載循環(huán)過(guò)程中會(huì )耗散能量。當使用柔性較高的材料檢測微小的壓力時(shí)，這種能量損失會(huì )更加明顯。此外，在接觸-分離過(guò)程中，電極與電介質(zhì)之間的界面摩擦和粘附也會(huì )進(jìn)一步造成能量損失。
為了提高響應-松弛速度，一種常見(jiàn)的策略是在電介質(zhì)層上設計微結構表面。這種策略基于以下兩個(gè)原理。首先，微結構將更多的彈性能量?jì)Υ嬖诟〉男巫冎?，從而降低電介質(zhì)的體積粘彈性。其次，微結構減少了電介質(zhì)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(chǎn)生的能量耗散。然而，盡管通過(guò)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(shí)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(wú)法克服。盡管最近有一些進(jìn)展報告稱(chēng)，傳感器的響應-松弛時(shí)間可縮短至幾毫秒，但這類(lèi)傳感器仍不能用于檢測數百或數千赫茲的高頻振動(dòng)，因此仍無(wú)法將傳感器應用于高頻或聲學(xué)目的。
為解決上述問(wèn)題，近期，南方科技大學(xué)、中國科學(xué)院等機構的研究人員提出了一種策略，通過(guò)將低粘度微結構電介質(zhì)與電極無(wú)縫鍵合，將柔性壓容式壓力傳感器的響應-松弛時(shí)間縮減到約0.04毫秒。其中，電介質(zhì)是通過(guò)在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基質(zhì)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(méi)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(guān)研究成果以“Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10?kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。
圖1 通過(guò)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(shí)間的影響
圖3 材料對響應-松弛時(shí)間的影響
進(jìn)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(tài)壓力到10 kHz以上高頻振動(dòng)的各種刺激。此外，該傳感器在1000 Hz時(shí)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(xué)場(chǎng)景在內的動(dòng)態(tài)壓力檢測。
圖4 該研究開(kāi)發(fā)的傳感器對高頻機械振動(dòng)的傳感性能
基于以上研究結果，研究人員設計了基于所開(kāi)發(fā)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(jìn)行了音頻記錄，并將結果與市售麥克風(fēng)和使用非鍵合傳感器的系統進(jìn)行了比較。圖5e展示了使用市售麥克風(fēng)、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(jìn)一步進(jìn)行的小波變換分析結果表明，使用市售麥克風(fēng)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(wú)法捕捉到高頻振動(dòng)而無(wú)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(xué)應用方面的潛力。
圖5 該研究開(kāi)發(fā)的傳感器在聲音檢測方面的應用
綜上所述，該研究開(kāi)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(xué)領(lǐng)域的應用。
