柔性触觉传感器因其在个性化医疗监测、人机交互和智能机器人等新兴领域的重大应用潜力而引起广泛关注。电容式柔性触觉传感器由于其结构简单、功耗低、对温度不敏感的特性以及再现类皮肤传感行为的能力而表现出相当大的吸引力。为了实现其工程化实际应用，需要解决以下挑战：（1）软材料介电层的粘弹性行为导致传感器的响应时间和滞后存在严重问题；（2）在宽压力范围内难以保持高灵敏度，例如，实现压力≤100 Pa的细微振动到压力≥10 kPa的物体抓取监测；（3）可靠耐用和性能一致的器件制造面临挑战，因为基于硅基传感器开发的大多数制造技术，如光刻和蚀刻，不适用于软材料的加工。

鉴于此，小组提出了一种基于有序多孔微结构介电层的电容式柔性压力传感器设计方案，具有以下优势：（1）介电层内部的丰富微观孔隙有效降低结构刚度，并提高压缩过程中的等效介电常数变化，从而显著提升传感器压力灵敏度；（2）压缩过程中微观孔隙的逐级压缩闭合将有效缓解压缩饱和现象，克服表面微结构介电层高压作用下存在的灵敏度衰退现象，提升传感器有效检测范围；（3）多孔微结构介电层丰富的表面键合面积为实现介电层与电极间的可靠结合提供可能，大幅提升传感器的结构坚固性和耐用性。

该研究工作采用气溶胶喷射式3D打印制备具有尺寸、形貌一致性和大表面键合面积的有序多孔微结构介电层，在此基础上研发了一种兼具高灵敏度、良好耐用性、宽范围、高性能一致性的电容式柔性触觉传感器。所制备的传感器具有112和152 ms的快速响应和弛豫时间，超过455.2 kPa的界面结合强度，可耐受≥3000次循环压缩和≥1000次循环拉伸而保持性能稳定，并具有优异的性能一致性（不同批次传感器之间的偏差≤5.47%）。将压力传感器与无线检测电路集成，可有效实现对微弱生理信号（脉搏波和心率）和大幅度身体运动（关节弯曲和步频）的无线、实时、在体长期监测应用。

图1 具有高度有序多孔介电层的电容式柔性压力传感器的结构设计和制备工艺

图2 高度有序多孔介电层电容式柔性压力传感器的键合强度、性能一致性和可调性评估

图3 压力传感器与无线检测电路集成用于人体生理信号的可穿戴无线检测

该研究成果以“Sensitive, Robust, Wide-Range, and High-Consistency Capacitive Tactile Sensors with Ordered Porous Dielectric Microstructures”为题近日在国际知名期刊 ACS Applied Materials & Interfaces上在线发表，5年平均影响因子9.6。西安交通大学仪器科学与技术学院李支康副教授为论文第一作者，硕士生赵康为该论文学生第一作者，西安交通大学仪器科学与技术学院赵立波教授、韩香广助理教授为共同通讯作者。

该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省青年科技新星等项目的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c15368

ACS AMI：具有有序多孔介质微结构的灵敏、鲁棒、宽范围、高一致性电容触觉传感器：https://mp.weixin.qq.com/s/6aqAKxh-EsF83vCWmGuEKw