陕西科技大学：研究用于人体监测和可穿戴舒适性的全功能皮革基柔性电容式压力传感器-电子发烧友网

智能可穿戴电子设备能够长时间连续监测生理指标，同时为用户提供舒适的佩戴体验，是医疗保健系统、人机交互和物联网的核心组件。高性能柔性传感器是智能可穿戴电子设备核心功能的基础，为下一代设备的发展铺平了道路。近年来，作为新一代电子设备的柔性压力传感器在人体运动检测、健康检测、人机交互和智能医疗等领域引起了广泛关注。迄今为止，根据传感机制，柔性压力传感器可分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式四类。与其他类型的压力传感器相比，柔性电容式压力传感器因其结构简单、功耗低、稳定性高等优点而独树一帜。

目前，柔性电容式压力传感器的研究主要集中在灵敏度提升策略上。这些策略包括在介电层或电极层中引入界面微结构以增加接触面积和压力灵敏度，以及在介电层中加入导电填料以提高介电常数。尽管这些以性能为导向的方法已取得显著进展，但工作稳定性仍然是制约其实际应用的根本挑战。这种局限性的根本原因在于器件的多层结构：采用传统粘合剂组装的介电层和电极层组件缺乏牢固的界面结合。在外力作用下，层间脆弱的结合可能因粘合剂失效而分离，导致传感性能下降。为了解决这个问题，在柔性电容式压力传感器的设计中，人们通常致力于增强介电层和电极层之间的有效结合，以提高传感器的稳定性。事实上，已有若干研究报道了使用发泡TPU、PDMS和纳米纤维膜等材料集成介电层和电极层，这些方法通过发泡工艺、界面微结构设计和直接油墨图案化技术实现。Kong等人采用了一种选择性发泡工艺，通过溶剂扩散诱导分子链缠结和氢键形成，从而在电极/介电层界面处形成梯度模量。Guo等人设计了一种具有坚韧界面的柔性电容式压力传感器，该传感器采用层间机械匹配的准均质组成和互连微锥策略。Meng等人通过将导电电极直接图案化到静电纺丝电解质垫上，制备了一种适用于长期佩戴的高稳定性触觉传感器。尽管这些策略成功地避免了使用粘合剂，但它们仍然依赖于合成构建的界面来集成介电层和电极层。然而，这些系统在长时间应力作用下仍可能导致界面解耦。一种很有前景的替代方案是将介电层与电极层进行单片集成，这可以确保层间具有牢固的界面结合强度，并提高柔性电容式压力传感器的运行稳定性。同时，大多数聚合物基柔性传感器的透湿性和透气性不足，这会影响佩戴舒适度并限制其在人体上的长期使用。因此，迫切需要开发一种采用简单可靠且卫生性能优异的集成介电层和电极层的柔性电容式压力传感器。

皮革是一种由胶原纤维编织而成的绿色天然材料，因其透气性、机械性能、生物相容性、柔韧性和佩戴舒适性等优点，已被广泛应用于可穿戴电子产品。皮革由粒面层和真皮层组成，其固有的三维网络和层级结构有利于功能材料的负载，使其成为柔性压力传感器的理想基材。一方面，皮革天然的层级结构和厚度与传感器所需的多层结构相匹配；另一方面，皮革的层间结构能够为传感器提供牢固的界面结合。目前，皮革已被应用于压阻传感和摩擦电传感领域。然而，关于基于皮革的柔性电容式压力传感器的研究报道仍然有限。因此，开发具有一体化介电层-电极集成的高稳定性柔性电容式压力传感器至关重要，这得益于皮革天然的层级结构和生物相容性。

虽然稳健的传感稳定性对于传感器的实际应用至关重要，但考虑到环境的复杂性，在动态环境中部署可穿戴设备对材料的功能提出了更高的要求。这不仅包括优异的穿戴性能（例如透气性、透湿性和机械性能），还包括对佩戴者舒适度的关注。值得推荐的新一代智能电子产品必须具备以下舒适性特性：（1）抗菌性能，能够有效抑制细菌生长，帮助佩戴者抵抗细菌和微生物的入侵，这对于可穿戴设备的长期使用至关重要。（2）光热转换能力，能够将光能转化为热能，在户外或极端环境下保持体温，并应对热管理方面的挑战。（3）电磁干扰（EMI）屏蔽性能，能够吸收或反射普遍存在的电磁辐射，从而达到保护人体健康和精密仪器的目的，适用于新一代可穿戴电子产品。然而，由于在电子产品设计中同时实现稳定的传感性能和满足上述要求面临着巨大的挑战，新一代智能可穿戴电子产品的发展仍然受到限制。

本文亮点

1. 本工作报道了一种利用皮革天然层级结构实现的介电层和电极层一体化柔性电容式压力传感器（PLP）。

2. 该PLP不仅同时实现了高灵敏度（0.0076 kPa⁻¹，< 8.8 kPa）和快速响应时间（39/40 ms），而且还具有优异的循环稳定性（超过10000次）。

3. PLP还展现出优异的穿戴性能（机械性能、透气性和水蒸气透过率）。该PLP材料可抵抗超过90%的金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli），在1000 W m⁻²的太阳光强度下，其表面温度可提升至74.8 ℃，并能有效衰减电磁波30 dB以上。

图文解析

图1. PLP的设计与制备。a. PLP的制备流程。b. 大尺寸PLP的数码照片。c. PLP的结构示意图。d. PLP传感器在人体传感中的应用示意图。e. PLP传感器在抗菌、光热转换和电磁干扰屏蔽等多功能应用概念的示意图。

图2. PLP的微观形貌和化学结构。a-d. 皮革面和纤维面的数码照片和扫描电镜（SEM）图像。e-h. PLP面和纤维面的数码照片和扫描电镜（SEM）图像。i. PLP横截面的扫描电镜（SEM）图像。j-l. PLP上下电极层和中间介电层的扫描电镜（SEM）图像。m-n. PLP的示意图和光学图像。o. PLP横截面超景深显微镜图像。p. 皮革和PLP的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）。q. 皮革和PLP的X射线衍射（XRD）图谱。r. 电导率/柔软度与吡啶单体用量的关系。 s 皮革、PPy 和 PLP 的拉曼光谱。

图3. PLP 的可穿戴性能。a 皮革和 PLP 的拉伸应力-应变曲线。b 皮革和 PLP 的杨氏模量。c 皮革和 PLP 的拉伸强度和断裂伸长率。d,e 样品的透气性。f 小鼠成纤维细胞在培养基中培养 24 小时和 48 小时后（有无 PLP 传感器）的对照图像。g 各组小鼠成纤维细胞存活率的定量分析。h 皮革、PLP 和 PDMS 的水蒸气透过率 (WVTR)。i-k PLP 的柔韧性、轻质性和承载能力。l 皮革和 PLP 的降解过程。

图4. PLP 的传感性能。a PLP 的相对电容随施加压力的变化。b,c 在不同压力 (1–40 kPa) 和不同频率 (1–100 mm/s) 下进行三个循环的稳定性测试。 d 检测限为 20 Pa。e PLP 的响应/恢复时间。f 在 100 g 的预加载压力下，检测额外的微小压力（1 g、2 g、2 g）。g PLP 在 20 kPa 下进行 10000 次加载/卸载循环测试。h 本研究与文献中其他研究在五个性能指标上的比较。i PLP 在压力加载过程中的传感机制。j PLP 在不同压力加载下的应力分布和电场分布的有限元分析结果。

图5. 人体运动检测应用。电容响应：a 喉部吞咽，b 肘部弯曲，c 手指弯曲，d 膝部弯曲，e 行走，f 跑步，g 跳跃。信息传输领域的应用。h 莫尔斯电码表。莫尔斯电码字符的波形：i 110，j 911，k SOS，l HELP，m SUST。

图6. 触觉手套的测试。 a. 触觉手套在不同姿态下的数字图像：i. 伸展状态；ii. 抓取状态。b. 触觉手套抓取以下物品的数字曲线图：i. 空纸杯；ii. 装水纸杯；iii. 电容变化。c. 触觉手套抓取以下物品的数字曲线图：i. 空烧杯；ii. 装水烧杯；iii. 电容变化。d. 触觉手套抓取以下物品的数字曲线图：i. 空烧杯；ii. 装水烧杯；iii. 电容变化。