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01
内容概览
现有技术缺点
响应-恢复速度慢：传统电容型柔性压力传感器的响应-恢复时间通常在数十毫秒范围内，无法检测高频动态刺激或振动，限制了其在高频应用中的有效性。 能量耗散问题：传感器的响应-恢复速度受到介质材料的粘弹性和电极-介质界面摩擦的影响，这些因素导致高能量耗散，从而增加了响应时间。
灵敏度与机械稳定性的权衡：现有的微结构设计难以在快速响应、机械稳定性和高灵敏度之间取得平衡。
创新点
减少能量耗散：通过设计微结构粘接界面，作者有效降低了电极-介质界面的摩擦和能量耗散，将传感器的响应和恢复时间缩短至约0.04毫秒。
优化微锥结构：引入具有适度高度和粘接头部尺寸的微锥结构，以实现快速响应-恢复时间，同时保持机械稳定性和增强灵敏度。
材料改性：通过在PDMS介电层中纳入2 wt.% CNTs，作者降低了介电层的粘度，从而减少了因粘弹性引起的能量耗散。
应用场景
动态力检测：该传感器能够检测超过10kHz的高频振动，适用于需要高频响应的应用，如纹理识别和动态力检测。
声学应用：由于其快速响应和高灵敏度，该传感器还可用于声学领域，实现对声音振动的精确检测。
总结
该研究通过优化微结构粘接界面和材料改性，显著提高了电容型柔性压力传感器的响应-恢复速度，将其推进到亚毫秒级别。该传感器不仅能够检测高频振动，还展现出优异的机械稳定性和灵敏度，扩展了其在声学和动态力检测等高频应用中的潜力。这一创新为未来的柔性电子皮肤和智能设备的发展提供了重要的技术支持。
文章名称：Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10 kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces
期刊：Nature Communications
文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47408-z
通讯作者：南方科技大学郭传飞（Chuan Fei Guo）和中国科学技术大学王柳（Liu Wang）
02
图文简介
微结构界面一体化粘接的压力传感器
图1 通过拓扑互连实现微结构界面一体化粘接的压力传感器设计。a 具有非粘接界面的传统微结构压力传感器的示意图和SEM图像。b 作者的具有粘接界面压力传感器的示意图和SEM图像。c 在加载过程中，非粘接和粘接压力传感器的有限元模拟。d 在加载-卸载循环中，增加的归一化接触面积ΔA/D的比较。e 在加载-卸载循环中，能量损失的归一化比较。f 粘接压力传感器的电容归一化变化与压力的关系。g 具有粘接界面和非粘接界面的传感器的响应-恢复时间的比较。h 作者的传感器与现有的电容传感器在响应时间和恢复时间方面进行比较。i 作者的传感器与现有的电容传感器在可检测压力极限和相应频率范围方面进行比较。
微锥对响应-恢复时间的影响
图2 微锥结构对响应-恢复时间的影响。a 微锥的几何参数。b 模拟不同高度H微锥的能量损失与压力的关系。c 20个微锥的临界屈曲压力的等高线图。d 模拟不同粘合面积A微锥的能量损失与压力的关系。e 不同粘合面积的微锥的归一化电容变化与压力的关系。虚线数据为实验结果。f 20个微锥的归一化能量损失的等高线图。g 具有不同粘合比例的微锥阵列的SEM 图像。h 具有不同粘合比例的微锥阵列的响应-恢复时间。误差棒表示时间的三次重复测量的标准偏差。
材料对响应-恢复时间的影响
图3 材料对响应-恢复时间的影响。
压力传感器的频率带宽和频率分辨率
图4 该工作的传感器对高频机械振动的感知性能。a 宽频机械刺激检测和记录平台的示意图。b 压力传感器在固定频率为12,500 Hz下机械振动的电容响应，显示了该工作传感器的快速响应时间。c 信号在(b)中的相应频谱。d 在200 Hz到12,000 Hz之间的振动频率下，具有粘接（上图）和非粘接（下图）界面的传感器的电容响应信号幅值。e (d)的相应STFT频谱图。f 在静态基础压力约为100 kPa下，检测静态压力和频率为500、4000、8000和12,500 Hz的振动。g 使用压力传感器检测频率为1000.0、1000.2、1000.4和1000.6 Hz的振动信号。h 信号在(g)中的频谱。
使用传感器进行声音检测
图5 该工作的传感器在声音检测中的应用。a 用于生物系统和人工系统的声音检测示意图。b 电容变化随声压的变化的关系。c 电容变化随声压级别变化的关系。d 系统在不同声波频率下电容的归一化变化。SPL = 98 dB。e 通过手机录制的声波形，通过具有粘接界面和非粘接界面的传感器记录的声波形。f 在（e）中获得的声波形对应的STFT频谱图。
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文献来源
Zhang, Y., Zhou, X., Zhang, N. et al. Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10 kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces. Nat Commun 15, 3048 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47408-z
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