人工智能的加速發(fā)展推動(dòng)了對(duì)柔性可穿戴傳感器的需求，特別是在柔性機(jī)器人、醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互等應(yīng)用中。柔性可穿戴壓力傳感器通常根據(jù)其傳感機(jī)制分為四種類(lèi)型：壓阻式、壓電電容式、壓電式和摩擦電式。電容式壓力傳感器（CPSs）因其簡(jiǎn)單的制造工藝、快速的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性和低功耗而受到廣泛歡迎。典型的CPS結(jié)構(gòu)由夾在頂部和底部電極層之間的介電層組成。傳統(tǒng)的CPSs靈敏度低，壓力范圍有限。將微結(jié)構(gòu)引入CPS的介電層和電極層可以通過(guò)增加壓力下的柔順性和有效介電常數(shù)來(lái)提高靈敏度，并通過(guò)為彈性變形提供間隙來(lái)提高響應(yīng)速度。然而，微觀結(jié)構(gòu)的硬化往往限制了在較高壓力下的靈敏度。

離子電子壓力傳感器（IPS）通過(guò)在電介質(zhì)/電極界面形成電子雙層（EDL），將有效電荷分離距離減小到小于1 nm，顯著提高了CPSs的性能，特別是在靈敏度和信號(hào)強(qiáng)度方面。由于離子和電子的協(xié)同效應(yīng)，EDL的有效面積在操作過(guò)程中隨著壓力的增加而增加，從而增加了傳感器的電容。調(diào)整IPS中電介質(zhì)和電極層的微觀結(jié)構(gòu)以改變EDL的有效面積是提高傳感性能的有效策略。這些結(jié)構(gòu)包括微柱、微粒和金字塔。例如，將IPS與激光誘導(dǎo)梯度微錐體等材料集成可以實(shí)現(xiàn)較低的檢測(cè)限、超寬線性范圍（高達(dá)2 MPa）的高靈敏度以及快速的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。盡管傳感器性能取得了重大進(jìn)展，但由于單個(gè)微結(jié)構(gòu)的固有飽和趨勢(shì)，其傳感范圍仍然有限。因此，隨著壓力的增加，靈敏度顯著降低。此外，僅依賴(lài)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的IPS通常表現(xiàn)出較低的靈敏度，因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)容易飽和。這些結(jié)構(gòu)通常與高成本和復(fù)雜的制造技術(shù)有關(guān)。

與單介電層配置相比，將高彈性體墊片（如PDMS、Ecoflex）與微結(jié)構(gòu)介電層集成以形成雙介電層已被證明可以提高柔性壓力傳感器的靈敏度和壓力范圍。然而，高彈性體的固有局限性，如其較差的壓縮性，往往限制了靈敏度提高的程度。此外，在高壓條件下，高彈性體的機(jī)械性能會(huì)導(dǎo)致傳感器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)損壞，從而限制其操作耐久性和長(zhǎng)期可靠性。這些挑戰(zhàn)凸顯了對(duì)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、寬壓力范圍和穩(wěn)健機(jī)械穩(wěn)定性的替代材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求。因此，在賦予超高靈敏度的同時(shí)，進(jìn)一步提高其傳感范圍仍然具有挑戰(zhàn)性。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作提出了一種新型的傳感器結(jié)構(gòu)，即雙介電層離子電子壓力傳感器（DLIPS），它集成了高介電常數(shù)層和低介電常數(shù)膜。

2. 使用蠶繭離子凝膠和開(kāi)孔聚氨酯泡沫作為電介質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，DLIPS表現(xiàn)出超高靈敏度（72548.7 kPa?1）、寬工作壓力范圍（0.001–420 kPa）、極低的檢測(cè)限（0.832 Pa）和超過(guò)5000次循環(huán)的出色耐久性。

3. 通過(guò)利用電容和電阻對(duì)壓力和溫度的不同響應(yīng)，傳感器可以同時(shí)測(cè)量這兩個(gè)參數(shù)。集成了深度學(xué)習(xí)回歸模型，以解耦混合的溫度和壓力信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的識(shí)別。

4. 由于其超高的靈敏度和檢測(cè)微小壓力波動(dòng)的能力，DLIPS在皮膚安裝的無(wú)聲語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中顯示出巨大的潛力，識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)98.5%。

圖文解析

圖1. DLIPS的原理圖和應(yīng)用。a）壓力傳感器設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)示意圖。（i）由最外層金電極、電極層和DDL組成的壓力傳感器結(jié)構(gòu)；（ii）蠶繭和SCOG的SEM圖像。b）通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)獲得的溫度和壓力解耦。c）DLIPS對(duì)揚(yáng)聲器在10 Hz下產(chǎn)生的細(xì)微振動(dòng)的響應(yīng)，歸一化音頻幅度為0.008，以及從小波變換分析得出的電容信號(hào)的相應(yīng)時(shí)頻分布。d）使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)基本詞匯進(jìn)行無(wú)聲語(yǔ)音識(shí)別。

圖2. 蠶繭和SCOG的特征以及IPS的傳感機(jī)制。a）蠶繭的SEM圖像。b）SCOG的共聚焦顯微鏡圖像。c）不同壓力下壓力傳感器的微觀形態(tài)和傳感機(jī)制。圖像中的紅色虛線表示PU泡沫和SCOG之間的接觸面。d）壓力傳感器、SCOG和PU泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3. DLIPS的傳感性能。a）傳感器的靈敏度。b）傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。c）傳感器在連續(xù)壓力下的電容變化曲線。d）傳感器在各種壓力下的電容變化。e）傳感器檢測(cè)到的高頻壓力信號(hào)的電容變化曲線。f）傳感器最小壓力檢測(cè)電容變化曲線。g）傳感器耐久性試驗(yàn)（≈71.3 kPa）。h）傳感器的傳感性能比較。

圖4. 溫度和壓力信號(hào)的耦合和解耦。a）電容響應(yīng)、b）相對(duì)電容變化和c）在0-90 kPa壓力和30-50°C溫度下的電阻響應(yīng)（增量為5°C）的示意圖。d）傳感器對(duì)壓力和溫度組合刺激的響應(yīng)示意圖，以及用于解耦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其中電容和電阻作為輸入，壓力和溫度作為輸出。e）使用電容數(shù)據(jù)、電阻數(shù)據(jù)及其組合訓(xùn)練的模型的訓(xùn)練損失與歸一化歷元數(shù)的關(guān)系。f）溫度和g）壓力的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間的比較。h）溫度控制試驗(yàn)箱的紅外圖像設(shè)置為40°C。i）從壓力傳感器獲取的電容和電阻信號(hào)，以及機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)的相應(yīng)壓力和溫度值。

圖5. 通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助分析實(shí)現(xiàn)無(wú)聲語(yǔ)音識(shí)別。a）無(wú)聲語(yǔ)音識(shí)別過(guò)程和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。b）DLIPS對(duì)10 Hz音頻信號(hào)引起的結(jié)構(gòu)共振的電容響應(yīng)。插圖：10 Hz音頻誘發(fā)振動(dòng)的時(shí)間位移曲線。c）響應(yīng)于10Hz音頻刺激的電容信號(hào)的小波變換分析。d）DLIPS電容對(duì)歸一化幅度為0.008的10 Hz音頻信號(hào)的響應(yīng)。e）DLIPS電容對(duì)歸一化幅度為0.01的10 Hz音頻信號(hào)的響應(yīng)。f）六個(gè)基本單詞的正常發(fā)音的聲波波形以及在正常語(yǔ)音、耳語(yǔ)和無(wú)聲閱讀下的相應(yīng)DLIPS電容響應(yīng)。g）從四名參與者那里收集的數(shù)據(jù)集，用于基于深度學(xué)習(xí)的分類(lèi)。h）使用t-SNE算法進(jìn)行分類(lèi)可視化。i）說(shuō)明SSR分類(lèi)準(zhǔn)確性的混淆矩陣。j）不同基于傳感器的平臺(tái)之間的語(yǔ)音識(shí)別精度比較。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿