高性能超级电容式压力传感器，助力可穿戴传感与机器人电子皮肤
2025-09-20 09:02:06   来源：MEMS   评论：0   点击：

柔性超级电容式传感器具有多种优势，包括机械柔性、高灵敏度和快速响应，这主要是由于使用了软离子弹性体和双电层（EDL）传感机制。对于这类传感器，实现宽线性压力传感范围仍然至关重要，特别当电解质层具有明确的微观结构时，这增强了传感器的可重复性并有利于质量控制。

据麦姆斯咨询报道，近日，新南威尔士大学（University of New South Wales）的研究人员提出了一种新的设计策略，通过在电解质层内集成层级圆顶微结构并在顶部电极中结合曲线设计，同时提高了灵敏度并扩展线性传感范围。该压力传感器已被成功地用于人体生物信号的检测，包括身体运动、呼吸模式识别以及手腕脉搏检测。此外，该传感器显示出作为电子皮肤（e-skin）的巨大潜力，因为它能够通过机器学习技术进行准确的物体重量估计和物体识别，实现100%的分类准确率。相关研究成果以“A Super-Capacitive Pressure Sensor with Ultrahigh Sensitivity and Wide Linear Pressure Sensing Range for Human Bio-Signal Detection and Electronic Skin”为题发表在Advanced Science期刊上。

在这项工作中，研究人员利用3D打印技术设计并制作了一种具有精确定义的层级微结构的高性能超级电容式压力传感器，其传感性能与微结构密切相关。采用聚乙烯醇/磷酸（PVA/H₃PO₄）离子导电弹性体作为超级电容式压力传感器的电解质层，以在EDL机制下实现更高的灵敏度。

超级电容式压力传感器层级半球结构的概念设计

针对超级电容式压力传感器的电解质层和顶部电极，研究人员分别提出了层级半球结构和曲面设计，旨在施加压力时产生更大的接触面积变化，以优化线性压力传感范围。通过使用高精度3D打印技术，将3D打印前驱体模压出明确的层级半球结构，并且这种结构可以用数学方式表达，有助于精确制造一致的结构，进而确保压力传感器的可重复性和可靠性。此外，顶部电极的曲面设计有助于扩展线性压力传感范围。因此，当同时考虑灵敏度和线性传感范围时，该超级电容式压力传感器表现出34.79 nF kPa⁻¹的极高灵敏度和0至800 kPa的宽线性压力传感范围。

曲面电极和电解质层的制备及显微观察

基于改进的传感性能和宽线性传感范围，该超级电容式压力传感器在多方面均展现出优异表现。具体而言，该传感器具有高传感分辨率（0.1%），在重复加载循环下能输出稳定的电容信号，且在0.2至2 Hz的动态加载条件下性能可靠。即使在200 kPa的预加载高压条件下，其电容响应也表明该传感器能够检测到2 Hz频率下低至0.5 kPa的低压动态信号。

超级电容式压力传感器的表征

该超级电容式压力传感器可以成功执行各种传感任务，包括监测手指、手腕和肘部的运动，以及检测呼吸和手腕脉搏，使其成为可穿戴设备应用的强大而有前途的候选者。此外，机器学习分析证明了该传感器在机器人应用方面的潜力，例如仿生电子皮肤，能够准确预测物体重量，且对物体类型的分类准确率达到100%。这些结果强调了超级电容式压力传感器传感能力提升的重要性，特别是其增强的灵敏度和扩展的线性压力传感范围。

超级电容式压力传感器对人体生物信号的识别、检测和监测

用于重量预测和各种物体识别的机器学习演示

总而言之，研究人员开发了一种具有层级半球形电解质层和曲面顶部电极的超级电容式压力传感器，可在施加压力时促使EDL接触面积产生显著且稳定的变化。该设计实现了超高灵敏度（34.79 nF kPa⁻¹）、宽线性传感范围（0-800 kPa）和高压力分辨率（0.1%）。得益于结构化电解质层与顶部电极的设计，该传感器还展现出优异的稳定性、可重复性和耐用性。此外，对该压力传感器在人体生物信号检测中的有效性进行了验证，显示了其在可穿戴生物医疗应用中的巨大潜力，例如术后康复监测和即时护理实时监测。值得注意的是，该压力传感器被用作电子皮肤，展示了其通过深度学习感知重量和识别物体类别的能力。因此，该超级电容式压力传感器在可穿戴设备、机器人等多个领域都有着广阔的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202512439

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