用“鱼鳞”搭个超灵敏柔性传感器

柔性可穿戴电子器件具有卓越的机械性能、高灵敏度及优异的性能稳定性，在智能服装、健康监护、可穿戴显示器、可穿戴生物相容性电池以及智能皮肤等诸多领域有着巨大的应用前景。其中，柔性可穿戴压力传感器件作为柔性电子器件的重要分支，在人体生理信号持续监测方面有着重要的应用。聚二甲基硅氧烷（PDMS）基于其优异的生物相容性、柔性以及高透明度成为柔性压力传感器件的理想基底材料。而在高性能柔性压力传感器件的构筑过程中,柔性基底微纳结构表面的构筑是赋予器件高灵敏度的关键，但是目前PDMS基底表面的微纳结构化多基于模板复制技术，要求精细操作耗时长，不利于柔性传感器件的大规模、低成本制备。

近日，日本庆应大学（Keio University）Seimei Shiratori研究团队仿生鱼鳞结构，基于空气/水界面交联成型技术简便、低成本、大规模构筑了表面具有仿鱼鳞结构的PDMS柔性基底。基于该基底表面沉积高导电性石墨烯纳米片，研究团队构筑了具有高灵敏度（−70.86 kPa^-1）的柔性压力传感器件。该器件能够被用于人体脉搏、呼吸、声音振动等微弱生理信号的监测，在柔性可穿戴生理检测器件方面展现出重要的潜在应用。

高性能柔性压力传感器件的结构示意图。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究团队将PDMS预聚体与交联剂的均匀混合物缓慢倒入水表面，基于水表面PDMS膜两侧的表面张力和温度的差异，在空气侧PDMS表面由于弯曲应力作用形成一系列鱼鳞状微突起结构。该表面具有鱼鳞结构的PDMS膜（FSP）具有高透明性和优异的柔韧性，同时力学性能测试显示其平均拉伸强度可达4.13 N、拉伸伸长率为102.81%，相对于其他方法制备的PDMS膜性能只呈现略微下降。此外，通过XPS、FTIR测试表明，该FSP膜两侧的化学组成相同，整体膜的化学组成与硅模板复制制备的PDMS膜（PSI）组成相同。

FSP膜制备过程示意图及化学组成、透明度测试。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

SEM测试显示，FSP膜底部（与水表面接触侧）具有较为平滑的表面，FSP膜顶部（空气侧）则具有高度~0.62 μm的鱼鳞状突起结构。理论分析表明PDMS预聚体混合物受到垂直方向的重力作用和水平方向的表面张力作用的综合作用在水表面扩散。当PDMS预聚体形成薄膜时，其膜表面应力分布呈现不均一性，与水接触一侧所受应力更大。在干燥过程中，水分的挥发导致膜两侧压力失衡，使得空气侧膜表面开裂形成鱼鳞状微结构。

FSP膜两侧的形貌表征。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

此外，SEM测试表明FSP膜表面的鱼鳞状微结构呈现各向异性分布。通过循环弯曲能够在FSP膜表面生成裂纹，进一步增加其粗糙度，疏水性提高；当弯曲循环达500次后其表面疏水性趋于稳定（WCA~120°）。

循环弯曲对FSP膜表面疏水性的影响。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

相对于银纳米线、单壁碳纳米管、金属薄膜等纳米材料，石墨烯纳米片（GNPs）其成本更低，因此研究团队以GNP为PDMS基底表面导电层构筑压力传感器。同时，对比研究发现掺杂部分PEDOT:PSS能够显著提升GNPs的导电性。研究人员采用膜转移法将GNPs/PEDOT:PSS (G/P)复合膜沉积到PDMS基底表面，经过后续130 °C（20 min）加热处理，在膜层间范德华力作用下形成稳定的界面。通过两层FSP膜中间引入G/P复合导电膜构筑压力传感器件，基于压力作用下G/P复合膜界面结构的变化产生器件薄层电阻的变化，从而实现压力感应。与之前报道的压力传感器相比，该FSP/G器件具有更高的灵敏度、更快的响应速度和优异的性能稳定性：当压力刺激高于1 kPa，其灵敏度为−1.15 kPa^-1；当压力刺激小于1 kPa时，其灵敏度达−70.86 kPa^-1；信号反馈时间约为82.6 ms。

FSP/G压力传感器件的性能测试。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

同时，该柔性FSP/G压力传感器件与人体皮肤具有优异的共形性，在进一步的人体脉搏、呼吸和声音振动等微弱生理信号监测应用测试中展现出优异的灵敏度和性能稳定性。

FSP/G压力传感器实际应用测试。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

总结

区别于以往的柔性基底表面微纳结构构筑技术，该论文创新性的利用界面张力作用进行膜表面鱼鳞状微结构的制备。该方法简便、高效、低成本，且过程可控。基于结构化PDMS基底构筑的柔性压力传感器件展现出超高灵敏度和性能稳定性，作为柔性可穿戴器件在人体生理信号检测方面具有重要的实际应用。该研究成果中柔性基底表面的微结构构筑方法为其他柔性传感器件的构筑提供了参考和借鉴。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Bionic Fish-Scale Surface Structures Fabricated via Air/Water Interface for Flexible and Ultrasensitive Pressure Sensors

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, DOI: 10.1021/acsami.8b08933