电子皮肤-糅合电容式和摩擦电式的触觉传感器
柔性触觉传感器能够将触觉信息直接转化为电信号，引起了人们的广泛关注。基于电介质层的传感器如电容式和摩擦电式触觉传感器具有结构简单、信号采集方便、能耗低等优点更受欢迎。为了适应多功能应用场景，所需要的传感器器件应具有高灵敏度和宽线性响应范围。高灵敏度可以在高信噪比的情况下精确识别微小的压力变化。宽的线性范围可以在较宽的压力谱上保持高压分辨率，并简化数据处理和转换。灵敏度和线性之间的权衡对于保持宽范围内的高压分辨率和简化柔性触觉传感器的信号处理/转换是至关重要的。
传统的电容式触觉传感器将固体介质夹在电极之间，由于固体介质的低压缩性，其灵敏度受到限制。设计具有更高可压缩性的微结构介质已被证明是提高灵敏度的有效途径。例如，微柱、微穹顶、微金字塔、微纤毛等各种微结构和多层结构得到了广泛的研究。但这种微观结构主要作用于低压区域，导致线性范围狭窄，随着压力的增大，压力分辨率大幅降低。虽然用高介电率纳米颗粒或导电填料增加微结构介质的介电常数可以进一步提高灵敏度，但灵敏度与线性之间的权衡尚未完全解决。同样，摩擦电式触觉传感器也存在类似的灵敏度与线性度的挑战。
澳门大学Bingpu Zhou团队与华中科技大学Bin Hu课题组受人类皮肤启发合作研究了一种新型具有梯度可压缩性和介电特性的混合介质层作为电容式触觉传感器的活性层，可有效调节电容的变化。其中低介电常数层是一种具有微纤毛结构阵列(MCA)的CIP/NdFeB/PDMS膜，高介电常数层是具有粗糙表面和微圆顶阵列 (RDA) CNT/ PDMS 的膜。利用压力诱导混合介质的low-k和high-k薄膜之间串并联转换使有效介电常数线性增加，并在优化的混合介电质基础上灵活调节初始/合成电容。基于这种新型混合电介质层的电容式触觉传感器在1000 kPa线宽时线性度可达0.99，灵敏度可达0.314kPa-1。研究人员还发现这种混合电介质层同样适用于摩擦电式触觉传感器。采用混合电介质（MCA-low k和RDA -high k）能够增强摩擦起电作用和静电感应作用，实现输出电压与施加压力的线性关系，并得到线性范围超宽(1000 kPa)、灵敏度明显提高的摩擦电式触觉传感器。
图1： a) 人体皮肤和 b) 仿生混合电介质的结构和特征示意图。 c) 混合电介质的典型光学和 SEM 图像。 d）用于具有超宽线性范围的电容式触觉传感器的混合电介质的可定制机械和介电行为。 e）混合电介质在具有超宽线性范围的摩擦电式触觉传感器中的适用性。
图2：a) 混合电介质串并联转换原理。b）具有low-k和high-k成分的不同组合的混合电介质的有效介电常数的变化。c) 上述混合电介质的相对距离变化。d) 上述混合电介质的弹性模量。e) 基于上述混合电介质的传感器的相对电容变化。f) 没有加载压力的初始电容、约1000 kPa 下的合成电容以及基于不同电介质的传感器的相关相对电容变化。
图3：a) 基于优化混合电介质的电容式传感器的相对电容变化。b) 检测施加 1、10、100 和 450 kPa 压力时传感器上的微小压力变化。c) 传感器在 300 kPa 高压下超过 5000 次循环的长期稳定性。d) 不同样品的高灵敏度和超宽线性的重现性。e) 本工作与其他报道的文献之间的比较。f) 基于优化混合电介质的摩擦电式触觉传感器的输出电压变化。
图4：a) 多功能皮肤和基于混合电介质的传感器。b) 动脉脉搏的生理信号检测，c) 呼吸频率，d) 膝关节屈曲，以及 e) 步行和跑步。f) 命令控制器的示意图。 g) 电容式和摩擦电式触觉传感器输出的 3 位编码控制指令。
作者提出了一种受人体皮肤启发的混合电介质应用于电容式触觉传感器及摩擦电式传感器中，同时优化传感器线性度和灵敏度。创新地利用具有可压缩性、介电特性的MCA结构的low-k薄膜和RDA结构的high-k薄膜作为混合电介质层。利用压力诱导串并联转换的梯度介电特性使有效介电常数线性增加，并在优化的混合电介质基础上灵活调节初始/合成电容。同时两种触觉传感器也可以监测生理信号，如动脉脉搏、呼吸频率、关节屈曲、行走和跑步状态等。但仍然有进一步研究的空间，首先，电容式触觉传感器具有1000 kPa超宽线性度，但灵敏度0.314 kPa-1仍有待提高。其次，作者演示了使用电容/摩擦电传感器的3位编码控制指令，基于3位代码，单个传感器器件可实现的控制指令共27条。但未来可以进一步控制多位指令，更加简化控制系统集成、信号处理和转换等，并结合机器学习等方法展示控制指令的准确率。
【参考文献】
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100859
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