共同第一作者：张会琪、徐宇、缪妙

共同通讯作者：刘贤哲、黄爱萍、周冰朴、罗坚义

背景介绍及内容概述

柔性电容式压力传感器因其制备工艺简便、功耗低以及稳定性高等优点，已成为多种人机交互（HMI）系统中的关键功能器件。然而，在实际应用中，同时实现高灵敏度与宽线性检测范围仍然是该类传感器面临的核心挑战。

近日，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心的刘贤哲副教授、黄爱萍教授和罗坚义教授团队以及澳门大学应用物理及材料工程研究院的周冰朴副教授通过高介电常数（high-k）弹性复合介质与微结构工程的协同设计，构建了一种高性能柔性电容式压力传感器。通过对多壁碳纳米管（MWCNTs）进行非共价表面修饰，实现了其在热塑性聚氨酯（TPU）基体中的均匀分散，制备得到介电常数可调且兼具良好弹性的高介电 TPU/MWCNT 复合介质。基于机电耦合分析，提出了一种互锁式非对称金字塔微结构（interlocked asymmetric pyramid microstructure, IAPM），通过引入多级接触调控机制，实现了电容信号的线性响应特性。所制备的柔性电容式压力传感器表现出0.0229 kPa⁻¹ 的高灵敏度、0.1–1300 kPa 的超宽线性响应范围、快速响应特性（<100 ms）、优异的循环耐久性以及良好的环境稳定性，展现出在仿生电子皮肤、运动状态监测及步态分析等领域的应用潜力。

此外，研究进一步构建了一种集成传感器阵列的可穿戴足底压力监测系统，能够识别不同运动模式下的步态阶段特征。该工作通过材料性能与结构设计的协同优化，有效突破了柔性电容式压力传感器中灵敏度与检测范围之间的权衡关系，为面向医疗健康与人机交互技术的下一代柔性压力传感器提供了一种可拓展的设计思路。

本工作以“High-k elastic composite dielectrics and microstructural engineering: high-sensitivity, ultra-wide linear range, and robust flexible capacitive pressure sensors for wearable electronics”为题，发表在Journal of Materials Chemistry A上。

论文具体工作内容

图1 TPU/MWCNTs 复合薄膜的制备流程及表征结果。(a) TPU/MWCNTs 复合薄膜制备过程的示意图；(b) 代表性 TPU/MWCNTs 复合薄膜的光学照片及扫描电子显微镜（SEM）图像；(c) TPU 薄膜、原始 MWCNT 粉末以及 TPU/MWCNTs 复合薄膜的拉曼光谱。

图2 不同 MWCNTs 含量的 TPU/MWCNTs 复合薄膜的介电性能。(a) 不同 MWCNTs 含量复合薄膜在 10 kHz 下的面电容；(b) 介电常数随频率变化的关系；(c) 介电损耗角正切（tan δ）随频率变化的关系；(d) 不同 MWCNTs 含量 TPU/MWCNTs 复合薄膜多维性能对比；(e) TPU/MWCNTs-1.0 wt% 复合薄膜在不同湿度条件下的相对电容变化；(f) TPU/MWCNTs-1.0 wt% 复合薄膜在不同温度条件下的相对电容变化。

图3 微结构参数对电容式压力响应特性的影响。(a) 金字塔、半球形和矩形微结构在外加压力作用下的电容响应；(b) 金字塔微结构示意图，插图中定义了金字塔的底宽（B）和高度（H）；(c) 不同金字塔高度下均匀金字塔阵列的电容–压力响应特性；(d) 不同金字塔底宽下均匀金字塔阵列的电容–压力响应特性；(e) 梯度金字塔阵列中大金字塔高度变化对电容–压力响应的影响；(f) 梯度金字塔阵列中小金字塔高度变化对电容–压力响应的影响。

图4 柔性电容式压力传感器的结构设计与性能验证。(a) 基于有限元分析得到的不同微结构压力传感层的应力分布；(b) 不同微结构对应的位移–载荷关系曲线；(c) 用于构建 IAPM 的 TPU/MWCNTs 复合薄膜的光学照片；(d) 基于 TPU/MWCNTs 复合薄膜的 IAPM 在加载与卸载过程中的动态形变光学图像；(e) IAPM 柔性电容式压力传感器的相对电容变化随外加压力变化的实验结果。

图5 IAPM 电容式压力传感器的压力传感性能。(a) 不同器件样品之间的重复性测试结果；(b) 在累计加载至 1300 kPa 过程中的加载/卸载滞回特性；(c) 在不同压缩速度（1、5、10 和 20 mm min⁻¹）下的电容响应；(d) 在 2 kPa 压力下的响应时间和恢复时间（定义为电容达到总变化量 90% 所需的时间）；(e) 在低、中、高不同压力区间下的电容响应；(f) 在 5、450 和 800 kPa 预加载压力下对微小压力变化的检测能力；(g) 柔性电容式压力传感器的抗冲击测试照片及在砝码加载和车辆碾压条件下传感器相对电容变化的实时响应；(h) 本工作与已报道压力传感器在灵敏度与线性检测范围方面的性能对比。

图6 IAPM 传感器在不同压力监测应用场景中的潜在应用。(a) 仿生电子皮肤；(b) 智能拳击手套；(c) 智能鞋垫。

图7 基于 IAPM 传感器的智能鞋垫系统及其应用示例。(a) 用于实时运动监测的智能鞋垫系统示意图；(b) 基于 IAPM 传感器的智能鞋垫系统实物照片；(c) 不同运动状态下足底压力的实时监测结果。

总结和展望

本工作提出了一种面向高性能柔性电容式压力传感器的协同设计策略，通过将高介电常数（high-k）弹性复合介质与合理设计的微结构相结合，实现了器件综合性能的显著提升。通过对多壁碳纳米管（MWCNTs）进行聚乙烯吡咯烷酮（PVP）非共价修饰，并使其在热塑性聚氨酯（TPU）基体中实现均匀分散，成功制备了一种介电性能优异且弹性模量可调的高介电聚合物复合介质。同时，基于高介电 TPU/MWCNT 复合介质的材料特性，在仿真指导下对互锁式非对称金字塔微结构（IAPM）进行了设计与优化。高介电复合材料与微结构设计的协同集成，使传感器能够在0.1–1300 kPa 的超宽压力范围内实现线性电容响应，同时具备0.0229 kPa⁻¹ 的高灵敏度、快速响应特性（≤100 ms）以及优异的耐久性（在 800 kPa 条件下循环 10 000 次）。基于其突出的传感性能，该传感器可作为可穿戴器件，用于多种应用场景下的生理信号检测，包括仿生电子皮肤、智能拳击手套和智能鞋垫等。此外，研究还成功开发了一种集成传感器阵列的可穿戴足底压力监测系统，可在不同运动状态下实现足底压力分布的实时采集与步态分析。上述结果表明，IAPM 传感器为医疗健康、运动科学以及可穿戴机器人系统等领域的下一代柔性压力传感技术提供了一种具有可扩展性的设计蓝图。

作者及团队介绍

共同第一作者：张会琪，女，五邑大学应用物理与材料学院2022级材料与化工硕士研究生

共同第一作者：徐宇，男，五邑大学应用物理与材料学院2022级电子信息工程（半导体绿色光源）本科生

共同第一作者：缪妙，女，五邑大学应用物理与材料学院2022级材料与科学工程本科生

共同通讯作者：刘贤哲，男，工学博士，副教授，硕士生导师，主持广东省基础与应用基础研究基金项目（青年基金项目和面上项目）2项和广东省普通高校特色创新项目1项；主要研究方向为：柔性传感材料和器件及其应用研究、新型光电材料与器件、喷墨印刷柔性电子器件。

共同通讯作者：黄爱萍，女，工学博士，教授级高级工程师、五邑大学教授，硕士生导师，中国电源学会磁技术专业委员会委员、中国电源学会会员、中国电子学会会员、江门市一级高层次人才，《磁性材料及器件》青年编委。长期从事高性能软磁铁氧体材料研发及制造技术研究，科技成果“兼具双重特性高性能锰锌铁氧体材料”属于国际首创，开创了国内锰锌铁氧体新材料研究局部引领世界的先河，并实现了低成本产业化。主要研究方向：铁氧体、金属软磁及其复合材料的设计研发与制备技术；各类传感材料（力学、气体、磁场等）的设计与应用研究。

共同通讯作者：周冰朴，男，工学博士，澳门大学副教授，博士生导师，应用物理与材料工程研究所副教授，科学与技术学院物理学与化学系副系主任。研究兴趣：可穿戴电子与柔性电子、微/纳米尺度下的流体控制、表面与界面科学。

共同通讯作者：罗坚义，男，工学博士，教授，博士生导师，现任五邑大学应用物理与材料学院院长，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心主任（创始人），国务院政府特殊津贴专家（2023），广东省杰出青年基金获得者，国家重点研发计划智能传感重点专项会评专家，南粤优秀教师，江门市首届“侨乡青年榜样”，江门市优秀科技工作者，江门市“十佳教师”。主要研究领域包括：柔性传感材料与器件应用（柔性触觉传感、温度传感、气体传感和光电传感等）；纳米功能材料合成；智能调光变色材料与器件。

附文献及DOI号

High-k elastic composite dielectrics and microstructural engineering: high-sensitivity, ultra-wide linear range, and robust flexible capacitive pressure sensors for wearable electronics

DOI:10.1039/d5ta06800b