配合第一作者：：张会琪、、徐宇、、缪妙
配合通讯作者：：刘贤哲、、黄爱萍、、周冰朴、、罗坚义
配景介绍及内容概述
柔性电容式压力传感器因其制备工艺轻盈、、功耗低以及稳固性高等优点，已成为多种人机交互（HMI）系统中的要害功效器件。然而，在现实应用中，同时实现高迅速度与宽线性检测规模仍然是该类传感器面临的焦点挑战。
克日，壹号娱乐APP柔性传感质料与器件研究开发中心的刘贤哲副教授、、黄爱萍教授和罗坚义教授团队以及澳门大学应用物理及质料工程研究院的周冰朴副教授通过高介电常数（high-k）弹性复合介质与微结构工程的协同设计，构建了一种高性能柔性电容式压力传感器。通过对多壁碳纳米管（MWCNTs）举行非共价外貌修饰，实现了其在热塑性聚氨酯（TPU）基体中的匀称疏散，制备获得介电常数可调且兼具优异弹性的高介电 TPU/MWCNT 复合介质。�；诨珩詈掀饰�，提出了一种互锁式非对称金字塔微结构（interlocked asymmetric pyramid microstructure, IAPM），通过引入多级接触调控机制，实现了电容信号的线性响应特征。所制备的柔性电容式压力传感器体现出0.0229 kPa?? 的高迅速度、、0.1–1300 kPa 的超宽线性响应规模、、快速响应特征（<100 ms）、、优异的循环耐久性以及优异的情形稳固性，展现出在仿生电子皮肤、、运动状态监测及步态剖析等领域的应用潜力。
别的，研究进一步构建了一种集成传感器阵列的可衣着足底压力监测系统，能够识别差别运动模式下的步态阶段特征。该事情通过质料性能与结构设计的协同优化，有用突破了柔性电容式压力传感器中迅速度与检测规模之间的权衡关系，为面向医疗康健与人机交互手艺的下一代柔性压力传感器提供了一种可拓展的设计思绪。
本事情以“High-k elastic composite dielectrics and microstructural engineering: high-sensitivity, ultra-wide linear range, and robust flexible capacitive pressure sensors for wearable electronics”为题，揭晓在Journal of Materials Chemistry A上。
论文详细事情内容
图1 TPU/MWCNTs 复合薄膜的制备流程及表征效果。(a) TPU/MWCNTs 复合薄膜制备历程的示意图；；(b) 代表性 TPU/MWCNTs 复合薄膜的光学照片及扫描电子显微镜（SEM）图像；；(c) TPU 薄膜、、原始 MWCNT 粉末以及 TPU/MWCNTs 复合薄膜的拉曼光谱。
图2 差别 MWCNTs 含量的 TPU/MWCNTs 复合薄膜的介电性能。(a) 差别 MWCNTs 含量复合薄膜在 10 kHz 下的面电容；；(b) 介电常数随频率转变的关系；；(c) 介电消耗角正切（tan δ）随频率转变的关系；；(d) 差别 MWCNTs 含量 TPU/MWCNTs 复合薄膜多维性能比照；；(e) TPU/MWCNTs-1.0 wt% 复合薄膜在差别湿度条件下的相对电容转变；；(f) TPU/MWCNTs-1.0 wt% 复合薄膜在差别温度条件下的相对电容转变。
图3 微结构参数对电容式压力响应特征的影响。(a) 金字塔、、半球形和矩形微结构在外加压力作用下的电容响应；；(b) 金字塔微结构示意图，插图中界说了金字塔的底宽（B）和高度（H）；；(c) 差别金字塔高度下匀称金字塔阵列的电容–压力响应特征；；(d) 差别金字塔底宽下匀称金字塔阵列的电容–压力响应特征；；(e) 梯度金字塔阵列中大金字塔高度转变对电容–压力响应的影响；；(f) 梯度金字塔阵列中小金字塔高度转变对电容–压力响应的影响。
图4 柔性电容式压力传感器的结构设计与性能验证。(a) 基于有限元剖析获得的差别微结构压力传感层的应力漫衍；；(b) 差别微结构对应的位移–载荷关系曲线；；(c) 用于构建 IAPM 的 TPU/MWCNTs 复合薄膜的光学照片；；(d) 基于 TPU/MWCNTs 复合薄膜的 IAPM 在加载与卸载历程中的动态形变光学图像；；(e) IAPM 柔性电容式压力传感器的相对电容转变随外加压力转变的实验效果。
图5 IAPM 电容式压力传感器的压力传感性能。(a) 差别器件样品之间的重复性测试效果；；(b) 在累计加载至 1300 kPa 历程中的加载/卸载滞回特征；；(c) 在差别压缩速率（1、、5、、10 和 20 mm min??）下的电容响应；；(d) 在 2 kPa 压力下的响应时间和恢复时间（界说为电容抵达总转变量 90% 所需的时间）；；(e) 在低、、中、、高差别压力区间下的电容响应；；(f) 在 5、、450 和 800 kPa 预加载压力下对细小压力转变的检测能力；；(g) 柔性电容式压力传感器的抗攻击测试照片及在砝码加载和车辆碾压条件下传感器相对电容转变的实时响应；；(h) 本事情与已报道压力传感器在迅速度与线性检测规模方面的性能比照。
图6 IAPM 传感器在差别压力监测应用场景中的潜在应用。(a) 仿生电子皮肤；；(b) 智能拳击手套；；(c) 智能鞋垫。
图7 基于 IAPM 传感器的智能鞋垫系统及其应用示例。(a) 用于实时运动监测的智能鞋垫系统示意图；；(b) 基于 IAPM 传感器的智能鞋垫系统实物照片；；(c) 差别运动状态下足底压力的实时监测效果。
总结和展望
本事情提出了一种面向高性能柔性电容式压力传感器的协同设计战略，通过将高介电常数（high-k）弹性复合介质与合理设计的微结构相连系，实现了器件综合性能的显著提升。通过对多壁碳纳米管（MWCNTs）举行聚乙烯吡咯烷酮（PVP）非共价修饰，并使其在热塑性聚氨酯（TPU）基体中实现匀称疏散，乐成制备了一种介电性能优异且弹性模量可调的高介电聚合物复合介质。同时，基于高介电 TPU/MWCNT 复合介质的质料特征，在仿真指导下对互锁式非对称金字塔微结构（IAPM）举行了设计与优化。高介电复合质料与微结构设计的协同集成，使传感器能够在0.1–1300 kPa 的超宽压力规模内实现线性电容响应，同时具备0.0229 kPa?? 的高迅速度、、快速响应特征（≤100 ms）以及优异的耐久性（在 800 kPa 条件下循环 10 000 次）。�；谄渫怀龅拇行阅�，该传感器可作为可衣着器件，用于多种应用场景下的心理信号检测，包括仿生电子皮肤、、智能拳击手套和智能鞋垫等。别的，研究还乐成开发了一种集成传感器阵列的可衣着足底压力监测系统，可在差别运动状态下实现足底压力漫衍的实时收罗与步态剖析。上述效果批注，IAPM 传感器为医疗康健、、运动科学以及可衣着机械人系统等领域的下一代柔性压力传感手艺提供了一种具有可扩展性的设计蓝图。
作者及团队介绍
配合第一作者：：张会琪，女，壹号娱乐APP应用物理与质料学院2022级质料与化工硕士研究生
配合第一作者：：徐宇，男，壹号娱乐APP应用物理与质料学院2022级电子信息工程（半导体绿色光源）本科生
配合第一作者：：缪妙，女，壹号娱乐APP应用物理与质料学院2022级质料与科学工程本科生
配合通讯作者：：刘贤哲，男，工学博士，副教授，硕士生导师，主持广东省基础与应用基础研究基金项目（青年基金项目和面上项目）2项和广东省通俗高校特色立异项目1项；；主要研究偏向为：：柔性传感质料和器件及其应用研究、、新型光电质料与器件、、喷墨印刷柔性电子器件。
配合通讯作者：：黄爱萍，女，工学博士，教授级高级工程师、、壹号娱乐APP教授，硕士生导师，中国电源学会磁手艺专业委员会委员、、中国电源学会会员、、中国电子学会会员、、江门市一级高条理人才，《磁性子料及器件》青年编委。恒久从事高性能软磁铁氧体质料研发及制造手艺研究，科技效果“兼具双重特征高性能锰锌铁氧体质料”属于国际首创，开创了海内锰锌铁氧体新质料研究局部引领天下的先河，并实现了低本钱工业化。主要研究偏向：：铁氧体、、金属软磁及其复合质料的设计研发与制备手艺；；种种传感质料（力学、、气体、、磁场等）的设计与应用研究。
配合通讯作者：：周冰朴，男，工学博士，澳门大学副教授，博士生导师，应用物理与质料工程研究所副教授，科学与手艺学院物理学与化学系副系主任。研究兴趣：：可衣着电子与柔性电子、、微/纳米标准下的流体控制、、外貌与界面科学。
配合通讯作者：：罗坚义，男，工学博士，教授，博士生导师，现任壹号娱乐APP应用物理与质料学院院长，壹号娱乐APP柔性传感质料与器件研究开发中心主任（首创人），国务院政府特殊津贴专家（2023），广东省优异青年基金获得者，国家重点研发妄想智能传感重点专项会评专家，南粤优异西席，江门市首届“侨乡青年模范”，江门市优异科技事情者，江门市“十佳西席”。主要研究领域包括：：柔性传感质料与器件应用（柔性触觉传感、、温度传感、、气体传感和光电传感等）；；纳米功效质料合成；；智能调光变色质料与器件。
附文献及DOI号
High-k elastic composite dielectrics and microstructural engineering: high-sensitivity, ultra-wide linear range, and robust flexible capacitive pressure sensors for wearable electronics
DOI:10.1039/d5ta06800b
