背景介紹

柔性傳感器因其在可穿戴電子、人機交互和智能機器人方面的潛在應用而吸引了研究興趣。目前，柔性壓力傳感器有四種主要的傳感機制：電容式、壓阻式、摩擦電式和壓電式。柔性電容式壓力傳感器具有制備成本低、結構簡單、靈敏度高的優點。因此，研究人員對電容式壓力傳感器進行了深入研究。

柔性電容式壓力傳感器由平行的上下電極和夾在它們之間的介電層組成。先前的研究表明，通過在柔性壓力傳感器的介電層內構建微觀結構圖案，在壓力下更容易產生變形，從而提高了柔性壓力傳感器。同時，圓柱形結構、金字塔結構、仿生結構和砂紙結構已被用于增強柔性傳感器的傳感性能。然而，使用諸如砂紙結構的模具制備的傳感器具有不規則的微觀結構，使得難以確保由同一批次制備的壓力傳感器具有相似的性能。此外，由于大規模制造高靈敏度柔性傳感器極具挑戰性，不規則的微觀結構往往導致壓力傳感器的耐用性相對較差。

為了制備高性能柔性壓力傳感器，許多研究人員致力于研究可用于柔性傳感器的材料。已研究的主要柔性材料包括硅橡膠、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和水凝膠。上述材料具有高度柔性，能夠制備納米尺寸的結構。通過使用這些柔性材料，研究人員可以實現更具創新性的結構模式。大多數電容式壓力傳感器使用激光技術、靜電紡絲和其他轉移方法來構建微觀結構。盡管這些結果提供了令人印象深刻的性能，但制備過程耗時、復雜且成本高昂。

本文亮點

1. 本工作設計了一種基于仿生獵豹腿微結構的電容式壓力傳感器，驗證了仿生微結構設計的優點，并使用3D打印技術優化了結構特征參數。

2. 受獵豹腿型啟發的壓力傳感器具有高靈敏度（0.75 kPa?1）、寬線性傳感范圍（0–280 kPa）、約80 ms的快速響應時間和出色的耐用性（24000次循環）。

3. 該傳感器可以識別手指操作的鼠標，監測人體運動，并傳輸莫爾斯電碼信息。

圖文解析

圖1（a） 壓力傳感器結構靈感。（b） 壓力傳感器準備流程圖。（c） 壓力傳感器示意圖。

圖2 壓力傳感器的模擬。不同位移下的應力分布：（a）微圓柱，（b）傾斜微圓柱，和（c）仿生獵豹腿。（d） 壓力傳感器在低壓和高壓下的三維應力分布。（e） 傳感器優化參數示意圖。

圖3（a，b）仿生微結構的間距對柔性傳感器靈敏度的影響。（c，d）仿生微結構的傾斜角度對柔性傳感器靈敏度的影響。

圖4 壓力傳感器的特性表征。（a） 壓力傳感器電容響應曲線。（b） 壓力傳感器在20、40和100 kPa壓力下的響應/恢復時間分別為80和90 ms。（c） 壓力傳感器的滯后誤差為9.3%。（d）柔性傳感器的低壓檢測。（e） 柔性傳感器的可重復性。（f） 柔性傳感器在不同壓力下的穩健性。（g） 柔性傳感器的應力-應變曲線。（h） 柔性傳感器的溫度性能擾動試驗。（i） 柔性傳感器的濕度干擾測試。

圖5 壓力傳感器的性能表征。（a） 電容式壓力傳感器在不同壓力（8、10、12和14 kPa）下的電容響應的重復性。（b） 傳感器在不同速率（40、80和160 mm/min）下的電容響應。（c） 將電容式壓力傳感器的靈敏度和量程與現有研究進行了比較。（d）電容式壓力傳感器24000次循環的耐久性測試。

圖6 用于手指操作鼠標運動識別的壓力傳感器應用程序。（a） 鼠標快速點擊響應曲線。（b） 正常速度點擊鼠標響應曲線。（c） 快速點擊輪響應曲線。（d） 滾動鼠標滾輪響應曲線。（e） 四個手指操作的鼠標動作的三維PCA聚類。

圖7 壓力傳感器在智能操縱器中用于抓取對象。（a） 夾緊塑料塊。（b） 抓著一個娃娃。（c） 抓著一個桔子。（d） 智能機械手抓取物體的二維PCA分類。

圖8 用于人體運動監測的壓力傳感器。（a） 手指點擊。（b） 拳頭按壓。（c） 手腕彎曲。（d） 頸部彎曲。（e） 肘部彎曲。（f） 膝蓋彎曲。（g） 腳部壓力。（h） 呼吸。

圖9 壓力傳感器用于傳輸莫爾斯電碼信息。（a） 這26個字母對應莫爾斯電碼。（b） 壓力傳感器傳輸莫爾斯電碼信息“獵豹”。（c） 壓力傳感器的計算機接口顯示發送莫爾斯電碼信息“LEG”。

審核編輯：劉清