原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36885-3

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基于微笼结构的超低串扰触觉传感阵列

一、背景介绍

大规模高密度的柔性传感阵列对于触觉探测而言非常重要，但此类器件中通常存在较大串扰，这将大大削弱触觉探测的精度。漏电、击穿或者外界电磁干扰等串扰通常可借助电子元件以及后端信号处理来避免，但柔性器件中由于形变而产生的机械串扰则无法使用上述方法来消除。这种机械串扰有时可用来增强局部刺激，但其也需要大量的数据分析才能实现精准的定位功能，因此，设计新型的器件结构以减少传感器像素点之间的机械串扰是非常有必要的。

二、本文亮点

中科院北京纳米能源与系统研究所翟俊宜研究员团队制备了一种高精度光网状应变限制薄膜（prslPDMS），其可用于制备超低串扰的可拉伸触觉传感阵列。借助于prslPDMS层可构筑微笼结构的传感器，微笼结构内部可用于触觉传感，边界可隔绝不必要的力学串扰以实现精准的触觉感知，具有局部应变限制效应。相较于传统的柔性电子器件而言，可使像素形变溢出减少90.3%。prslPDMS层夹在Ag NFs电极以及微结构石墨烯电极之间，不仅确保了堆叠结构不会发生分离，同时也能为器件在弯曲或者拉伸状态下提供传感间隙。此外，可通过设计不同的prslPDMS层厚度或者电极微结构来调整传感器的灵敏度以及压力探测范围。研究表明传感器具有良好的压力分辨率，即使在弯曲状态下也能分辨1 g的重量，并可检测人体不同状态下（饮酒、运动和休息）的脉搏或分析不同的抓握姿势。相应的传感器这列可实现清晰的压力成像分布，串扰隔离度可达到33.41 dB，并可贴附与手上实现了良好的人机交互功能。进一步的仿真分析也表明，基于该微笼结构的器件在像素分辨率超过4000 ppi的情况下仍具有较高的串扰隔离度（22.43 dB），表明其在可穿戴电子、软体机器人和人机交互方面具有广泛的应用前景。该工作以“Localizing Strain via Micro-Cage Structure for Stretchable Pressure Sensor Arrays with Ultralow Spatial Crosstalk”为题发表于《Nature Communication》。

三、图文解析

图1、基于prslPDMS层的微笼结构超低串扰传感器的设计思路。（a）人体皮肤中用于触觉感知的多种机械感受器分布示意图。（b）苯甲酮在紫外光照射下抑制PDMS交联以制备prslPDMS层的原理。（c）在外部压力下由prslPDMS形成的微笼结构形变的模型分析，其中有4个关键参数，分别是像素长度(l_p)、间隔长度(l_s)和厚度(t_s)以及外部位移(D)。（d）PDMS & prslPDMS模型和PET模型在外部压力下的二维形变模拟分析，由于微笼结构的局部应变限制效应，使得前者沿x轴的应变远小于后者。（e）定量分析上述两种模型沿x轴的位移变化，可发现使用prslPDMS层的模型中邻近像素位移与PET相比减少了90.3%。（f）串扰隔离度与间隔长度和像素长度比值（l_s/l_p）之间的关系，其值大于1：2时，可达到较好的隔离效果。

图2、压力传感器的结构图。（a）基于prslPDMS微笼结构的传感器结构示意图，其中上层为微金字塔结构的石墨烯电极，中间层为prslPDMS层，底层为Ag NFs叉指电极。（b）不同精度下prslPDMS的SEM图，最高可达到100 μm；右侧展示在不同衬底上制备prslPDMS薄膜的实物图（上：玻璃，下：硅片），表明该方法具有良好的适应性。（c）prslPDMS的拉伸性能（左）和紫外-可见光光谱（右），表明其具有优异的拉伸性和透明度。（d）超低串扰传感器的设计思路，其中prslPDMS层可用于制备多层器件且兼具良好的机械稳定性，再结合局部应变限制效应，使其非常适用于精准触觉探测。贴附于手掌上的传感器阵列的实物图，平整状态（e）以及褶皱状态（f），其透明度约为50.36%，厚度约为60.59 μm。

图3、传感器的压力传感性能分析。（a）压力传感测量装置的示意图。（b）传感器的灵敏度曲线展示（顶部），不同外部压力下的应力分布模拟（中部），相应的横截面SEM图（底部）。结果表明，传感器在外部压力作用下可分为三个阶段，低压区、线性区以及饱和区。具有不同Ag NFs叉指电极（c）、间隔层厚度（d）和金字塔尺寸（e）的传感器的相对变化电流(ΔI/I₀)与外部压力的关系。在不同应变（f）和弯曲半径（g）下的传感器的相对变化电流(ΔI/I₀)与外部压力的关系。插图：从形变恢复后的传感器压力响应性能（左）与弯曲状态下对微小力的响应能力（右）。（h）压力传感器的循环稳定性表征，循环周期大于5000次。插图：具有不同prslPDMS层厚度的传感器的响应性能。

图4、人体脉搏实时检测与抓握姿势分析。（a）贴附于人体各种动脉上的传感器检测收缩压和舒张压的原理。（b）不同的外部压力下传感器检测到的人体脉搏信号。插图：使用血压袖带施加压力。（c）在20和5 kPa的压力下提取到的部分脉搏波形图。（d）饮酒、运动以及休息等不同状态下脉搏波形的频率、增强指数（AIx）与反射指数（RI）。（e）25岁男性的长时间脉搏检测的庞加莱图（时间：200 s）。（f）通过APP在智能手机上实时显示脉搏波。（g）贴附于手掌的多个传感器可检测不同的抓握姿势。指尖的传感器在半握苹果时具有较大电压（h），而当苹果被完全抓住时，所有传感器均具有较高电压（i）。

图5、超低串扰传感器阵列的测量与分析。（a）由prslPDMS层构筑的微笼结构用于隔离机械串扰的三维模拟分析，受力像素点将从三个方向（0°、45°、90°）影响邻近像素。（b）PET与prslPDMS模型在不同方向上的位移分析，可以发现prslPDMS模型中受力像素点对邻近像素几乎没有附加变形。（c）基于PET、PDMS和PDMS & prslPDMS层的传感器的串扰模拟分析和相应的电压变化，可以发现使用prslPDMS层的传感器阵列具有最小的机械串扰和清晰的压力成像。（d）用于压力检测的6×6传感器阵列，具有prslPDMS层的器件可以清楚地看到字母“B”的成像。（e）传感器阵列检测字母“B”时不同像素点的电压变化。（f）传感器阵列的应用场景演示。其中的像素点可分为四个区域，并用来控制游戏中的模型移动。

四、总结展望

总之，本工作将苯甲酮掺杂到PDMS中可制备网状的局部应变限制薄膜（prslPDMS），该薄膜可黏附上下电极以形成微笼结构。其可大大减少传感器中的形变溢出，克服了柔性电子器件中力学串扰对精准测量的干扰。对微笼结构内进行不同的设计可实现对传感器灵敏度以及检测范围的调控，使得传感器具有足够的压力分辨率以检测微小重量或人体脉搏。相应的柔性触觉传感器阵列亦可有效分辨密集的多点刺激，实现高空间分辨率的压力分布成像。这种局部应变限制薄膜以及微笼结构设计可为精准的触觉探测提供新的研究思路，并期望在未来应用于多功能的柔性电子器件中。