第一作者：张虎诚通信联系人：黄汉雄单位：华南理工大学

文章重要内容

      华南理工大学黄汉雄教授团队提出了一种制备高性能微柱阵列柔性压力传感器的方法。通过化学氧化法，在微柱阵列POE薄片表面形成微褶皱聚吡咯(PPy)导电层制备成柔性压力传感基片，将传感基片面对面互锁封装成微柱阵列柔性压力传感器。正是微柱表面上形成的完整PPy导电层及其表面较明显的蠕虫状微褶皱二级结构，解决了互锁微柱阵列压阻传感器存在的灵敏度较低、响应/恢复时间较长和检测限较高的问题；互锁微柱较高的耐压性和相互支撑以及POE较高的回弹性使互锁柔性压力传感器具有明显较高的稳定性和重复性以及较宽的压力响应范围。该研究对提高柔性传感器性能的研究具有指导意义。

文章背景

       柔性压力传感器在运动检测、健康监测、人机交互、电子皮肤和可穿戴设备等领域得到越来越多的应用，其灵敏度、响应范围、检测限、响应/恢复时间和稳定性等性能决定其应用场景。采用成本较低、可批量制备的工业级弹性体(如TPU和POE)作为传感基片基体制备综合性能较高的柔性压力传感器存在挑战。在传感基片表面形成微结构可提高柔性压力传感器的灵敏度等性能，微结构的局部应力分布和接触面积变化是不同的，因而对传感器性能的提高存在差异。其中互锁微柱阵列柔性压力传感器因微柱较高的耐压性而具有较高的循环稳定性，但制备稳定性较高、响应/恢复时间较短且灵敏度较高的微柱阵列柔性压力传感器仍存在较大挑战。

文章概述

       研究团队采用模压成型制备表面上分布有微柱阵列的POE薄片，通过化学氧化法在薄片表面聚合形成PPy导电层，制备成传感基片。扫描电镜观察、红外光谱测试和表面电阻率测试的结果表明，对聚合时间30 min制备的传感基片，微柱和底部表面上形成了完整的PPy导电层且其表面呈较明显的蠕虫状微细褶皱结构(见图1(b₂)及插图)，这构成了传感基片表面上的二级结构。

图1 POE复制物的照片(a₁)和SEM照片(b₁)；传感基片(聚合时间30 min)的照片(a₂)和SEM照片(b₂)

 研究了吡咯的聚合时间和传感基片的组合方式对柔性压力传感器灵敏度的影响。结果表明，由聚合时间30 min制备的传感基片互锁封装成的传感器(Ip-Sensor)不仅具有较高的灵敏度而且压阻响应范围较宽(图2)，并呈现较低的检测限(~10 Pa，图3a)和较短的响应和恢复时间(分别约为30和41 ms，图3b）。

图2 传感器的相对电阻变化量(∆R/R₀)随压力的变化曲线：4种不同聚合时间制备的传感基片互锁封装的Ip-Sensor传感器(a)，聚合时间30 min制备的传感基片互锁封装成的Ip-Sensor和单面微柱封装的Sp-Sensor传感器(b)

图3 100 mg的POE薄片(~10 Pa，a)和100 Pa压力(b)作用下Ip-Sensor传感器的相对电阻(R/R₀)

为发挥由聚合时间30 min制备的传感基片互锁封装的Ip-Sensor传感器具有的上述较低检测限、较短响应/恢复时间和较高灵敏度等优点，将其用于检测人体的微弱生理信号和动作(图4)。研究人员将其粘贴在颈部动脉、手腕寸口、喉部、眼角和脚后跟等处，当研究人员做出相应动作时传感器均做出较快速、稳定的电阻响应。这些结果表明Ip-Sensor传感器在健康监测和运动检测方面具有良好的应用前景。

图4 Ip-Sensor传感器的应用：微弱气流(a)，手腕脉搏(b)，颈部脉搏(c)，眨眼(d)，吞咽(e)和脚踩(f)

该研究提出的制备综合性能优异的柔性微柱阵列压阻传感器的方法，对提升柔性传感器性能的研究具有指导意义。

该工作以研究论文形式即将在《高分子学报》2025年第5期印刷出版。论文的第一作者是华南理工大学硕士生张虎诚，通信联系人为黄汉雄教授。

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