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微结构离子凝胶柔性电容式压力传感器研究及其在生物监测中的应用，采用预应变调控PDMS基底皱褶形态与离子凝胶介电层协同设计，实现1.484 kPa?1灵敏度、4.2 Pa检测限及82 ms响应时间，经1000次循环测试稳定性良好，应用于电子皮肤和可穿戴医疗监测系统。
张学华|任兴龙|张伟|胡方仁
南京邮电大学电子与光学工程学院及柔性电子（未来技术）学院，中国江苏省南京市210023
摘要
柔性电容式压力传感器在医疗保健、运动监测和生理传感领域具有广泛应用前景，但其可扩展的制造工艺仍是一个挑战。本文报道了一种高性能的电容式压力传感器，该传感器采用微皱离子凝胶作为介电层。传感器结构由皱褶的金溅射PDMS基底作为底电极，以及镀银纳米线的聚酰亚胺薄膜作为顶电极组成。在制造过程中施加可控的预应变可以精确调节皱褶形态，从而提高传感器的灵敏度和压力响应特性。优化后的器件灵敏度达到1.484 kPa?1，响应时间为82 ms，检测限低至4.2 Pa，并且在1000次循环压缩测试中保持稳定运行。通过实时监测人体生理活动（包括手指和肘部运动以及桡动脉脉搏波形）验证了该传感器的实际应用能力。这种基于微结构的制造策略为开发用于电子皮肤和可穿戴健康监测应用的高性能柔性传感器提供了一种可扩展、成本低廉且可控的方法。
引言
柔性压力传感器已成为多种应用中的关键组件，包括电子皮肤[1]、[2]、[3]、医疗诊断[4]、[5]、机器人传感[6]、[7]、[8]以及人体运动监测[9]、[10]、[11]。在各种转换机制中：压阻式[12]、[13]、电容式[14]、[15]、[16]、压电式[17]、[18]、摩擦电式[20]、[21]、[22]、自供电电化学[23]、[24]、[25]和离子梯度[26]、[27]、[28]中，电容式压力传感器因其结构简单、灵敏度高、动态响应快和空间分辨率优异而受到特别关注。通常，电容式压力传感器由两个平行电极组成，中间隔着介电层，外部压力会改变电极间距或有效介电特性，从而引起可测量的电容变化[29]。
为了提高电容式压力传感器的性能，人们一直在通过结构设计来优化介电层。例如，金字塔形[30]、[31]、[32]、多孔[33]或波浪形[35]、[36]等微结构介电材料被广泛采用，以增强变形能力和提高负载下的接触面积变化。Choong等人[37]使用金字塔图案化的PDMS实现了灵敏度的提升，而Tang等人[38]开发了结合碳纳米管（CNT）-PDMS复合材料的波浪形Ag/PDMS电极，实现了高灵敏度和快速响应。尽管取得了这些进展，但这些方法往往依赖于介电常数较低的弹性体材料，这可能限制了电容的可调谐性、微型化潜力以及整体信号稳定性。
最近，离子凝胶因其高固有电容、离子迁移率和稳定的电化学性能而成为有前景的介电材料[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。例如，微结构化的离子凝胶或基于凝胶的介电材料在低压范围内实现了1.3–1.5 kPa?1的灵敏度[44]、[45]、[46]，表明柔软的含离子材料在增强电容响应方面的优势。为了进一步发挥其潜力，对凝胶层进行微结构工程处理是必要的[47]。大多数报道的基于离子凝胶的压力传感器依赖于块状凝胶、多孔结构或平面介电层，而皱褶几何形状很少被系统地整合到离子凝胶介电材料中[48]、[49]、[50]。皱褶或折叠的几何形状具有高伸展性和大的变形能力，可以在低压条件下通过厚度和接触面积的非线性变化显著增强电容响应。然而，在需要高灵敏度和机械稳定性的电容式压力传感器研究中，很少探索离子凝胶介电材料与可控皱褶结构的结合。
本文提出了一种柔性电容式压力传感器，该传感器采用经过应变工程处理的皱褶离子凝胶薄膜作为介电层，皱褶的PDMS基底同时作为模板和底电极。通过在制造过程中系统地改变预应变水平（120%–150%），可以精确调节皱褶形态（包括幅度和周期性），从而实现结构与性能的相关性分析。该设计利用了离子凝胶的高介电常数和皱褶的可调应变微结构。在支持信息中提供了与近年来报道的代表性柔性电容式压力传感器的定量比较，以突出所提出器件的性能优势。所得传感器表现出高低压灵敏度（1.484 kPa?1）、宽检测范围、快速响应（82 ms）和稳定的机械性能。这项工作为高性能离子电子传感器的制造提供了一种可扩展的策略，并为可穿戴设备和电子皮肤应用提供了结构-材料协同设计的范例。
制造工艺
如图1(a)所示，这种带有离子凝胶介电层的柔性电容式压力传感器通过三个主要步骤制造而成。首先，使用氧等离子体处理制备皱褶的PDMS基底，然后将其作为模板形成皱褶的离子凝胶介电层。接下来，通过离子溅射在皱褶的PDMS薄膜上沉积金层来制备底电极。最后，通过涂覆银纳米线的聚酰亚胺（PI）薄膜来形成顶电极。
表面形态
图2(a-c)展示了经过单轴预应变（a）120%、（b）135%和（c）150%处理的PDMS皱褶薄膜的SEM图像。所有样品均显示出均匀的正弦波形皱褶结构。如图2(a)所示，皱褶的峰宽约为145.1 nm，周期约为632.6 nm。随着单轴拉伸从120%增加到150%，峰宽和周期均减小，表明皱褶形态更加紧凑。图2(d–e)分别展示了（d）俯视图和（e）
结论
本研究提出了一种新型高效的柔性电容式压力传感器制造方法。该方法利用简单的氧等离子体处理在PDMS薄膜中诱导皱褶形成，并采用模板方法制备基于离子凝胶的介电层。所得的柔性、离子导电的PDMS电容式压力传感器具有皱褶结构，其灵敏度为1.484 kPa?1，最小检测限为4.2 Pa，响应时间较快。
作者贡献声明
任兴龙：撰写——原始草稿，研究，概念化。张伟：资源提供。胡方仁：项目管理。张学华：撰写——审稿与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：61605086、51602160、61574080、61274121）的支持。
张学华1985年出生于中国山西省。她于2013年在中国西安交通大学获得工程博士学位。目前她是南京邮电大学电子与光学工程学院的讲师和硕士导师，主要研究方向是微/纳米结构的制备及其在OLED器件和柔性压力传感器中的应用。
