基于仿生苍耳壳多层结构的柔性压力传感器，具有高灵敏度和宽检测范围，适用于可穿戴设备

《Microchemical Journal》：Flexible pressure sensors with high sensitivity and wide detection range based on bionic cocklebur shell multilevel structure for wearable devices

柔性压力传感器在健康监测和可穿戴设备中的应用存在高灵敏度与宽量程的矛盾。本文提出仿贝壳结构的复合多层传感器，通过碳纳米管/MXene/PDMS复合材料与多级纳米结构设计，实现0-800kPa线性量程和40.64kPa?1超高灵敏度，响应时间20ms/30ms，并成功应用于康复训练、腕部姿态检测和智能锁。

　　

李书松|唐国鹏|洪伟强|朱雷|王家润|李宏辉|李家斌|宋子阳|李斌|史荣伟|林 Lupeng

哈尔滨大学人工智能学院，中国哈尔滨 150001

摘要

柔性压力传感器在健康监测、可穿戴设备和人机交互应用中具有巨大潜力。然而，在保持超高灵敏度的同时实现宽响应范围仍然是一个挑战。为了解决这个问题，我们提出了一种创新的柔性压阻传感器，该传感器采用了受苍耳壳自然结构启发的多级结构，并结合了专门设计的背靠背介电层配置。该传感器使用碳纳米管/MXene/聚二甲基硅氧烷复合膜制成，再结合电极层和喷涂的碳纳米管形成多层次纳米结构。这项工作介绍了一种新型的仿生多层次纳米结构，解决了传统柔性压阻传感器的局限性。实验结果表明，该传感器具有宽线性感知范围（0–800 kPa）、超高灵敏度（40.64 kPa^?1）、极短的响应/恢复时间（20 ms/30 ms），以及在动态循环下的优异耐久性。鉴于这些出色的感知性能，该传感器在康复训练运动识别、手腕姿势检测和交互式密码锁等应用中得到了成功应用，凸显了其在健康监测、可穿戴设备和人机交互领域的巨大潜力。

引言

在过去十年中，柔性可穿戴电子设备中触觉传感技术的快速发展显著影响了健康监测[1]、[2]、[3]和人机交互[4]、[5]、[6]。柔性压力传感器已成为提高这些设备性能的关键组件。研究人员投入了大量精力探索各种类型的压力传感器，包括压阻[7]、[8]、[9]、[10]、电容[11]、[12]、压电[13]和摩擦电[15]、[16]传感器。其中，柔性压阻传感器由于其简单的结构、高灵敏度和快速响应时间[17]、[18]，特别适合用于触觉感知。在实际应用中，柔性压阻传感器需要具备高灵敏度和宽线性感知范围等特性。然而，同时实现高灵敏度和宽感知范围的设计仍然具有挑战性。为了开发高性能的柔性压阻传感器，必须仔细关注传感器的结构设计和材料选择。

压阻传感器由于在负载下导电路径的变化而表现出电阻变化，但由于聚合物的高粘弹性，通常会降低灵敏度。现有研究表明，传感层的微结构设计对于提高柔性压阻传感器的灵敏度至关重要[19]。报道的微结构包括微球[20]、[21]、微柱[22]、微金字塔[23]、仿生结构[24]、[25]以及天然模板如砂纸[26]、荷叶[27]和玫瑰花瓣[28]。传感层内的微结构设计减少了粘弹性，并产生了应力集中效应，从而在低压下显著改变了压阻传感器的电阻。在低压下，这些微结构经历了显著的压强集中，增加了微结构与传感表面之间的接触面积，从而提高了传感器的灵敏度。然而，随着压力的继续增加，现有微结构的接触面积会积累应力，且接触面积不会显著扩大，导致传感器灵敏度显著下降。因此，研究人员探索了基于不规则图案的设计[29]，与规则图案的传感器相比，这些设计表现出更高的灵敏度和更宽的线性感知范围。这种改进归因于不规则图案结构提供的额外导电路径。例如，尖端对尖端的多面体结构[30]、[31]和互锁结构[32]、[33]对压力传感器的灵敏度产生了不同的影响。

另一方面，敏感材料在提高压阻传感器的灵敏度和感知范围方面起着关键作用。目前，由于导电纳米材料具有出色的电导率和机械性能，被用于这些传感器的制造。值得注意的例子包括碳纳米管[34]、[35]、[36]、石墨烯[37]、[38]、金属纳米线[39]和MXene[40]、[41]。其中，多壁碳纳米管（MWCNT）和MXene因其出色的柔韧性和导电性而受到广泛关注。例如，赵等人[36]使用碳纳米管/炭黑/聚二甲基硅氧烷（PDMS）导电海绵开发了一种柔性压力传感器，利用多孔和微球双重微结构的协同效应来增强压力感知能力。同样，马等人[41]通过浸渍-干燥方法在纸基底上原位氧化MXene片层，不同程度地改变了MXene片层的固有电阻并增加了层间间距，从而制造出高灵敏度和可降解的压阻压力传感器。尽管这些结构设计和材料选择在某种程度上改善了压阻传感器的某些性能，但其整体性能仍有提升空间。因此，迫切需要设计一种同时具备高灵敏度和宽操作范围的新型柔性压阻传感器。

在这项研究中，我们设计了受苍耳壳启发的仿生柔性压阻传感器（BFPS），其具有对称梯度和纳米结构。碳纳米管的不均匀沉积导致了广泛的电阻变化，结构和材料之间的协同作用提高了BFPS的整体感知性能。我们设计的柔性压力传感器具有宽线性感知范围（0–800 kPa）、高灵敏度（40.64 kPa^?1）以及极快的响应和恢复时间（20 ms/30 ms）。这些压力传感器已应用于康复训练运动识别、手腕姿势检测和交互式密码锁，凸显了它们在可穿戴电子设备中的巨大潜力。

部分摘录

BFPS的制备

如图1a所示，这种受苍耳壳启发的柔性压力传感器使用基于硅的聚合物和导电材料设计成多级结构的导电通道。BFPS应用于志愿者康复训练、手腕姿势检测和智能密码锁场景。基于苍耳壳的仿生结构，通过三维（3D）打印技术制造了环氧树脂模具，然后进行旋涂

结论

总之，我们提出了一种高性能的仿生柔性压阻传感器，其灵感来源于苍耳壳的结构，并采用了背靠背的传感层配置。BFPS由聚二甲基硅氧烷、碳纳米管和MXene组成的复合薄膜制成，结合了硅橡胶基底和喷涂的碳纳米管。这种组装形成了一个多层次纳米结构层，有效克服了典型的权衡

材料

用于制备传感层导电复合材料的 multi-壁碳纳米管（纯度 >99%）和MXene（纯度 >99%）购自苏州碳石墨烯科技有限公司。多壁碳纳米管浆料由深圳鸿大昌进化科技有限公司提供，用于复合材料的表面喷涂。PDMS购自南京穆克纳米科技有限公司。环己烷来自上海凯茵化工有限公司。硅橡胶来自

作者贡献声明

李书松：撰写–原始草稿，资源准备。唐国鹏：正式分析，方法论。洪伟强、朱雷：方法论，实验研究。王家润、李宏辉：软件开发，项目管理。李家斌、宋子阳：概念构思，监督，验证，数据整理。李斌、史荣伟、林 Lupeng：撰写–审稿与编辑，资金获取。

CRediT作者贡献声明

李书松：撰写 – 原始草稿，数据整理，概念构思。唐国鹏：方法论，实验研究。洪伟强：实验研究，正式分析。朱雷：可视化，验证。王家润：软件开发，资源准备。李宏辉：资源准备，项目管理。李家斌：实验研究，资金获取。宋子阳：项目管理，正式分析。李斌：可视化，实验研究。史荣伟：验证，实验研究。林 Lupeng：撰写 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国高校基础计算教育协会项目（2022-AFCEC-285）和哈尔滨大学教师发展中心项目（JFZD2021002）的支持。作者感谢Scientific Compass公司的Geng Shuang女士（www.shiyanjia.com）在SEM分析方面提供的宝贵帮助。