西北工業大學，:刀片涂層多孔三維碳復合電極與多尺度接口耦合，用于高靈敏度全紙壓力傳感器

在一個技術與日常生活無縫融合的時代，柔性和可穿戴壓力傳感器的出現標志著一個重要的里程碑，特別是在需要精度和創新的領域，如醫療保健、機器人和消費電子產品。這些傳感器以其多功能性而聞名，在推進醫療診斷、增強機器人功能和豐富用戶與電子設備的交互方面發揮著關鍵作用。尤其是醫療保健行業，已經發生了革命性的轉變，采用了可穿戴技術，為監測和診斷提供了的便利，從而重新定義了患者護理模式。

然而，走向的旅程充滿了挑戰。追求具有高靈敏度和廣泛響應范圍的傳感器往往與制造復雜性和成本限制的實用性相沖突。就壓阻式壓力傳感器而言，實現高靈敏度通常涉及通過形態/結構工程增強材料導電性或設計結構化傳感材料。前者依賴于材料的電性能來引起電阻變化，但在靈敏度增強方面存在局限性。相反，后者利用彈性材料的表面微觀結構來最初改變傳感器接觸點，從而產生更高的初始電阻并促進實質性的電阻變化。盡管如此，利用這些表面微觀結構的傳感器通常表現出低于10 kPa?1的靈敏度以及有限的傳感范圍，這是智能機器人操縱或輕柔操縱物體中觸覺傳感的基本要求。在結構化方法中，已經提出了多孔結構來提高傳感性能，從而提高了變形能力，提高了靈敏度。已經開發出具有足夠導電性的互連多孔材料，包括泡沫、海綿、氣凝膠、紙張和基于織物的網絡結構。盡管如此，這些結構在高壓下通常表現出壓縮接觸飽和，導致小于100 kPa的相對較窄的傳感范圍。為了進一步提高壓力傳感器的傳感性能，引入了一種多尺度分層結構策略來增強壓阻式壓力傳感器的性能。這包括內在層次結構、多層堆疊層次結構和層次組合微結構。許多多尺度層次結構從納米到微米。一種創新的設計利用了由碳納米管（CNT）、微尺度棘微結構和毫尺度拱形層結構組成的納米級導電膜之間的相互協同作用，以優化壓力傳感器中的壓縮接觸。該設計具有高靈敏度（15.1 kPa?1）和寬檢測范圍（180 kPa）。此外，還開發了一種具有微粗糙和多孔結構的組合層次結構。這種方法涉及使用雙面錐形碳泡沫陣列構建傳感層，該陣列集成了錐形微觀結構和微觀孔隙率，這是提高壓阻材料靈敏度（24.6 kPa?1）和傳感范圍（1.4 MPa的超寬線性范圍）的兩種常用方法。顯然，這種復合傳感材料的結構策略增加了可變形空間，增強了材料的變形能力，提高了材料的靈敏度，拓寬了傳感范圍。同時，這種策略需要不同的微觀結構很好地相互匹配，這增加了復合傳感材料制造過程的難度。簡而言之，各種制造方法可以滿足高靈敏度和寬傳感范圍的要求，但制備敏感材料的需求仍然相對較高，涉及光刻、皮秒激光應用、高溫工藝、真空沉積等技術。因此，制造低成本、高性能和大規模的壓力傳感器仍然存在挑戰。

迄今為止，用于檢測生理信號的可穿戴壓力傳感器主要使用超薄基板，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰胺和硅彈性體。相比之下，由纖維素纖維組成的紙張被視為可穿戴電子產品的廉價、一次性和可生物降解的基材。此外，它符合綠色電子原則，強調對電子廢物進行適當的回收和處理，以防止環境污染，促進資源回收。因此，該論文在各種傳感領域得到了廣泛的應用，包括生物傳感器、化學傳感器和用于記錄機械刺激反應的機械傳感器，在綠色電子領域中作為一種環保和一次性產品。大多數紙質壓阻式壓力傳感器利用微纖維和多孔結構，通過涂覆MXene、導電聚合物、石墨烯、CNTs、Ag納米線等薄膜形成復合傳感層來增強傳感性能。然而，這些復合傳感材料通常缺乏多尺度層次結構，導致靈敏度和檢測范圍不令人滿意，實際上，達到300 kPa的壓力水平對于模仿人類的壓力感知至關重要。盡管如此，現有的復合傳感材料的制造工藝相對復雜，不適合大規模生產。因此，為了獲得多尺度層次結構并簡化材料制造過程，應該開發一種巧妙的復合傳感材料作為更有前景的選擇。

來源：傳感器專家網