超灵敏纸基电容式柔性压力传感器：可穿戴与电子皮肤应用

摘要

柔性压力传感器（FPS）在机器人、可穿戴设备、电子皮肤、生物医学诊断中关键。传统高性能FPS常依赖复杂微加工或微模塑步骤。本文介绍一种简单可规模化电容式FPS，采用银纳米线（AgNW）包覆纸作电极衬底，聚二甲基硅氧烷（PDMS）作介质。所得传感器灵敏度1.05 kPa⁻¹，动态范围1 Pa至2 kPa——指标匹配或超越最先进器件。实际测试展示对弯曲、手指点击、声诱导振动可靠检测，凸显其在电子皮肤和可穿戴技术应用前景。

引言

柔性与曲面无缝集成使FPS处于可穿戴电子、机器人皮肤、生物医学监测前沿（参考文献1-9）。虽场效应晶体管、压电、压阻机制存在，电容式FPS因架构简单、动态范围宽、长期稳定性优异成最具吸引力选择（参考文献20-22）。PDMS以其柔性、生物相容性、介电强度，常在电容式FPS中同时作介质和结构层（参考文献20,26,23-25）。银纳米线（AgNWs）兼具优异导电性、光学透明度、机械韧性，成为太阳能电池、加热器等器件柔性电极理想选择（参考文献27-34）。前人将AgNWs嵌入聚合物基质增强灵敏度（参考文献35-2）。但许多高性能FPS仍需复杂介质层微图案化或模塑（参考文献2,35,36,7,21,26）。我们利用AgNW包覆普通印刷纸作电极，双面层压PDMS，绕过复杂性，制得高灵敏度、大动态范围、强机械韧性传感器。

方法

AgNWs、AgNW薄膜、PDMS薄膜及电容式FPS制备

AgNWs经水热法合成。0.3 M PVP/乙二醇（EG）溶液（0.2 g PVP溶6 mL EG，搅拌20 min）与0.1 M AgNO₃/EG和0.01 M NaCl/EG混合。混合液转入聚四氟乙烯内衬反应釜，140℃反应2 h再160℃反应30 min，经乙酮和去离子水反复洗涤离心得白色AgNW粉末。最终产物分散于100 mL乙醇供制膜用。

AgNW薄膜经喷枪喷涂于100℃加热的20 mm×20 mm洁净纸衬底制备。用0.5 mm喷嘴、150 mm距离、0.1 MPa压力；喷涂时长调节膜厚和电阻。沉积后衬底留热板1 h除残留PVP。PDMS（Sylgard 184）按10:1固化剂比混合，搅拌20 min、脱气10 min，旋涂于洁净玻片，65℃固化2 h。剥离得自支撑PDMS薄膜。

三明治式电容式FPS（图1）通过将两片AgNW纸电极置于PDMS介质两侧组装。铜引线用导电银漆固定，透明胶带封装。

表征与测试

表面形貌用FEI Inspect F50 SEM观察。UV-Vis光谱（Shimadzu 1700）评估AgNW纯度。传感器在定制压力平台测试，配备测力计（HP-5）和自制LM555振荡器将电容变化转频率。数据采集用Keithley 2700万用表。

结果与讨论

SEM图像（图2a）显示均匀细长AgNWs（~100 nm直径），杂质极少，确证高质量纳米线。UV-Vis谱（图3）显示355 nm和380 nm特征等离子体峰，进一步验证纯度。

压力-电容测量（图4a）呈两线性区：高灵敏低压区和低灵敏高压区，转折~2 kPa。传感器峰值灵敏度1.05 kPa⁻¹超越大多数报道器件（参考文献12,26,37-39）同时保持简易制备工艺。机制源于纸微槽结构；施压迫使空气进入槽内，在AgNW网络产生压痕，放大有效电极面积并减小电极间距——均增强电容变化。

低压测试（图4b）确证1 Pa检测下限并完全恢复，指示优异稳定性和快速响应。81 Pa下500循环短期重复性（图4c）显示漂移可忽略，一个月长期老化（图4d）显示低压响应不变，高压仅轻微下降不影响整体性能。

实际演示凸显传感器多功能性：(i) 弯曲测试（图5a）显示近线性电容-角度曲线，实现精准关节角监测；(ii) 手指点击检测（图5b）记录~700 pF尖峰/次；(iii) 声诱导振动感测（图5c）高重复性区分单个音节。8×8像素阵列（图5d）用2 mm×2 mm像素制备，成功映射铅笔尖和塑性泥子弹，展示极低串扰和清晰形状识别。

结论

利用水热生长AgNWs包覆普通纸和PDMS介质层，我们制得电容式FPS，兼具高灵敏度（1.05 kPa⁻¹）、宽动态范围（1 Pa-2 kPa）和卓越稳定性。传感器可靠检测人体运动——弯曲、点击、语音——8×8阵列展示低串扰和物体形状识别。这些特性凸显平台在电子皮肤、运动监测、可穿戴设备、触觉物体识别中的适用性。

数据与材料可用性

本研究使用和/或分析的数据集可应通讯作者合理请求提供。

缩略语

FPS

柔性压力传感器

AgNWs

银纳米线

M

摩尔每升

PVP

聚乙烯吡咯烷酮

PS

聚苯乙烯

EG

乙二醇

NaCl

氯化钠

SEM

扫描电镜

UV-Vis

紫外-可见

ΔC

电容变化

pF

皮法拉