3D打印受仿生木棉结构启发的电容式压力传感器，具有调谐的宽检测范围和高灵敏度

来源： AdvancedScienceNews

广西大学龙雨教授课题组受仿生木棉结构启发，报道了一种具有宽检测范围和高灵敏度的柔性电容式压力传感器。基于3D打印技术构建电容式压力传感器的介电层，介电层具有易变形的内凹和旋转结构设计，可在压力下连续变形。这种设计显著扩大了压力响应范围，提高了灵敏度。

近年来，柔性压力传感器由于能够连续测量各种生理和运动参数，在健康监测、疾病诊断和人机交互中得到了广泛的研究和应用。柔性电容式压力传感器因其出色的动态响应、耐高温和低功耗而备受关注。理想的柔性压力传感器应具有高灵敏度和较宽的检测范围。虽然引入微观结构（如微金字塔）可以有效提高灵敏度，但由于结构变形空间受到限制，压力响应范围有限。相比于实现高灵敏度但削弱了监测范围的微结构构建策略，使用平板实心弹性体作为介电层可以实现更广的压力检测范围，但是其负载时相对变形较小，导致其在工作过程中灵敏度也一直很低。总的来说，监测范围拓宽与各传感阶段灵敏度提升之间产生的固有矛盾阻碍了柔性传感器的发展与应用。

另一方面，传统的柔性传感器制备技术存在构建难以构建独特形状结构，或成本高､重复制造困难、生产周期长的问题。增材制造技术(又称3D 打印)由于其优越的几何设计自由度、可重复性和快速的生产周期，近年来得到了相当大的关注和发展。在各种3D 打印技术中，数字光处理（DLP）利用紫外线光源和数字微镜生成动态曝光图案，加工速度快，能够高精度地生产具有复杂形状结构的柔性传感器。

近期，广西大学龙雨教授团队提出了一种提出一种仿木棉花介电层结构，并通过3D打印技术制备具有该结构的柔性电容式压力传感器。木棉花在开花时具有较大的径向尺寸变化，基于此提出了可以径向扩张和收缩的花瓣结构，并以花瓣结构为基础，设计了一种整体内凹的结构。该结构受压后易于变形，且具有较大的可压缩量。基于仿木棉花介电层结构的柔性电容式压力传感器表现出高灵敏度（2.38055 kPa−1在0–10kPa）、宽检测范围（734 kPa）、高重复性（500 kPa内1200次循环）、低迟滞（0.8%）、快速响应时间（23ms）以及高压力分辨率（500kPa下0.4%）。为了实现实际应用，柔性电容式压力传感器被相应地放置在手指、手腕、肘部、膝盖和足底，以检测各种身体部位的动作，结果表明其具有很好的适用性。这项工作有望在智能机器人、信息感知和人机交互方面开辟可能的应用。

相关研究成果以“3D Printing of Capacitive Pressure Sensors with Tuned Wide Detection Range and High Sensitivity Inspired by Bio-Inspired Kapok Structures”为题发表在《Macromolecular Rapid Communications》上。广西大学研究生靳青欣为第一作者，广西大学龙雨教授为通讯作者。该工作得到了广西壮族自治区重点研发计划、国家重点研发计划、中央引导地方科技发展资金专项和广西壮族自治区自然科学基金的大力支持。

图1.基于三维仿生木棉结构(3DBIKS)的柔性压力传感器。(a)木棉及其开合仿生模型。(b) 3DBIKS的设计理念。(c)基于3DBIKS的介质层3D打印。(d)基于3DBIKS的柔性压力传感器组装。e)数字光处理3D打印原理。

图2.压力传感器的传感特性。(a)压力传感器相对电容(ΔC/C0)随负载压力的变化。(b)传感器响应时间和恢复时间。(c)传感器最小检测压力。(d) 0 ~ 734 kPa压力范围内传感器相对电容的变化情况。(e)预加载10 kpa和(f)预加载500 kpa压力时传感器相对电容的变化。当(e)预加载10 kpa和(f)预加载500 kpa时，传感器可以识别小的压力变化。(g)在相同压力(500 kpa)下，不同频率(10、30、50、100 mm/min)循环压缩/释放传感器时电容的相对变化。h) 0-10、0-50、0-100、0-500、0-734 kPa响应滞后。(i) 0 ~ 734 kPa压力范围内传感器相对电容变化。(j)传感器在500 kpa压力下的压缩试验周期(1200)结果。(k)本工作中制备的压力传感器与采用稳定表面微结构或平面结构的其他传感器的灵敏度比较。

论文信息：
3D Printing of Capacitive Pressure Sensors with Tuned Wide Detection Range and High Sensitivity Inspired by Bio-Inspired Kapok Structures
Qingxin Jin, Chengyun Wang, Han Wu, Xin Luo, Jiaqi Li, Guangmeng Ma, Yu Li, Chunyi Luo, Fawei Guo, Yu Long*
Macromolecular Rapid Communications
DOI: 10.1002/marc.202300668