智能可穿戴電子設(shè)備能夠長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測生理指標(biāo)，同時(shí)為用戶提供舒適的佩戴體驗(yàn)，是醫(yī)療保健系統(tǒng)、人機(jī)交互和物聯(lián)網(wǎng)的核心組件。高性能柔性傳感器是智能可穿戴電子設(shè)備核心功能的基礎(chǔ)，為下一代設(shè)備的發(fā)展鋪平了道路。近年來，作為新一代電子設(shè)備的柔性壓力傳感器在人體運(yùn)動(dòng)檢測、健康檢測、人機(jī)交互和智能醫(yī)療等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。迄今為止，根據(jù)傳感機(jī)制，柔性壓力傳感器可分為壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式四類。與其他類型的壓力傳感器相比，柔性電容式壓力傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)而獨(dú)樹一幟。

目前，柔性電容式壓力傳感器的研究主要集中在靈敏度提升策略上。這些策略包括在介電層或電極層中引入界面微結(jié)構(gòu)以增加接觸面積和壓力靈敏度，以及在介電層中加入導(dǎo)電填料以提高介電常數(shù)。盡管這些以性能為導(dǎo)向的方法已取得顯著進(jìn)展，但工作穩(wěn)定性仍然是制約其實(shí)際應(yīng)用的根本挑戰(zhàn)。這種局限性的根本原因在于器件的多層結(jié)構(gòu)：采用傳統(tǒng)粘合劑組裝的介電層和電極層組件缺乏牢固的界面結(jié)合。在外力作用下，層間脆弱的結(jié)合可能因粘合劑失效而分離，導(dǎo)致傳感性能下降。為了解決這個(gè)問題，在柔性電容式壓力傳感器的設(shè)計(jì)中，人們通常致力于增強(qiáng)介電層和電極層之間的有效結(jié)合，以提高傳感器的穩(wěn)定性。事實(shí)上，已有若干研究報(bào)道了使用發(fā)泡TPU、PDMS和納米纖維膜等材料集成介電層和電極層，這些方法通過發(fā)泡工藝、界面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和直接油墨圖案化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。Kong等人采用了一種選擇性發(fā)泡工藝，通過溶劑擴(kuò)散誘導(dǎo)分子鏈纏結(jié)和氫鍵形成，從而在電極/介電層界面處形成梯度模量。Guo等人設(shè)計(jì)了一種具有堅(jiān)韌界面的柔性電容式壓力傳感器，該傳感器采用層間機(jī)械匹配的準(zhǔn)均質(zhì)組成和互連微錐策略。Meng等人通過將導(dǎo)電電極直接圖案化到靜電紡絲電解質(zhì)墊上，制備了一種適用于長期佩戴的高穩(wěn)定性觸覺傳感器。盡管這些策略成功地避免了使用粘合劑，但它們?nèi)匀灰蕾囉诤铣蓸?gòu)建的界面來集成介電層和電極層。然而，這些系統(tǒng)在長時(shí)間應(yīng)力作用下仍可能導(dǎo)致界面解耦。一種很有前景的替代方案是將介電層與電極層進(jìn)行單片集成，這可以確保層間具有牢固的界面結(jié)合強(qiáng)度，并提高柔性電容式壓力傳感器的運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)，大多數(shù)聚合物基柔性傳感器的透濕性和透氣性不足，這會(huì)影響佩戴舒適度并限制其在人體上的長期使用。因此，迫切需要開發(fā)一種采用簡單可靠且衛(wèi)生性能優(yōu)異的集成介電層和電極層的柔性電容式壓力傳感器。

皮革是一種由膠原纖維編織而成的綠色天然材料，因其透氣性、機(jī)械性能、生物相容性、柔韌性和佩戴舒適性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于可穿戴電子產(chǎn)品。皮革由粒面層和真皮層組成，其固有的三維網(wǎng)絡(luò)和層級結(jié)構(gòu)有利于功能材料的負(fù)載，使其成為柔性壓力傳感器的理想基材。一方面，皮革天然的層級結(jié)構(gòu)和厚度與傳感器所需的多層結(jié)構(gòu)相匹配；另一方面，皮革的層間結(jié)構(gòu)能夠?yàn)閭鞲衅魈峁├喂痰慕缑娼Y(jié)合。目前，皮革已被應(yīng)用于壓阻傳感和摩擦電傳感領(lǐng)域。然而，關(guān)于基于皮革的柔性電容式壓力傳感器的研究報(bào)道仍然有限。因此，開發(fā)具有一體化介電層-電極集成的高穩(wěn)定性柔性電容式壓力傳感器至關(guān)重要，這得益于皮革天然的層級結(jié)構(gòu)和生物相容性。

雖然穩(wěn)健的傳感穩(wěn)定性對于傳感器的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，但考慮到環(huán)境的復(fù)雜性，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中部署可穿戴設(shè)備對材料的功能提出了更高的要求。這不僅包括優(yōu)異的穿戴性能（例如透氣性、透濕性和機(jī)械性能），還包括對佩戴者舒適度的關(guān)注。值得推薦的新一代智能電子產(chǎn)品必須具備以下舒適性特性：（1）抗菌性能，能夠有效抑制細(xì)菌生長，幫助佩戴者抵抗細(xì)菌和微生物的入侵，這對于可穿戴設(shè)備的長期使用至關(guān)重要。（2）光熱轉(zhuǎn)換能力，能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為熱能，在戶外或極端環(huán)境下保持體溫，并應(yīng)對熱管理方面的挑戰(zhàn)。 （3）電磁干擾（EMI）屏蔽性能，能夠吸收或反射普遍存在的電磁輻射，從而達(dá)到保護(hù)人體健康和精密儀器的目的，適用于新一代可穿戴電子產(chǎn)品。然而，由于在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的傳感性能和滿足上述要求面臨著巨大的挑戰(zhàn)，新一代智能可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展仍然受到限制。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作報(bào)道了一種利用皮革天然層級結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的介電層和電極層一體化柔性電容式壓力傳感器（PLP）。

2. 該P(yáng)LP不僅同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度（0.0076 kPa?1，< 8.8 kPa）和快速響應(yīng)時(shí)間（39/40 ms），而且還具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（超過10000次）。

3. PLP還展現(xiàn)出優(yōu)異的穿戴性能（機(jī)械性能、透氣性和水蒸氣透過率）。該P(yáng)LP材料可抵抗超過90%的金黃色葡萄球菌（S. aureus）和大腸桿菌（E. coli），在1000 W m?2的太陽光強(qiáng)度下，其表面溫度可提升至74.8 ℃，并能有效衰減電磁波30 dB以上。

圖文解析

圖1. PLP的設(shè)計(jì)與制備。a. PLP的制備流程。b. 大尺寸PLP的數(shù)碼照片。c. PLP的結(jié)構(gòu)示意圖。d. PLP傳感器在人體傳感中的應(yīng)用示意圖。e. PLP傳感器在抗菌、光熱轉(zhuǎn)換和電磁干擾屏蔽等多功能應(yīng)用概念的示意圖。

圖2. PLP的微觀形貌和化學(xué)結(jié)構(gòu)。a-d. 皮革面和纖維面的數(shù)碼照片和掃描電鏡（SEM）圖像。e-h. PLP面和纖維面的數(shù)碼照片和掃描電鏡（SEM）圖像。i. PLP橫截面的掃描電鏡（SEM）圖像。j-l. PLP上下電極層和中間介電層的掃描電鏡（SEM）圖像。m-n. PLP的示意圖和光學(xué)圖像。o. PLP橫截面超景深顯微鏡圖像。p. 皮革和PLP的傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）。q. 皮革和PLP的X射線衍射（XRD）圖譜。r. 電導(dǎo)率/柔軟度與吡啶單體用量的關(guān)系。 s 皮革、PPy 和 PLP 的拉曼光譜。

圖3. PLP 的可穿戴性能。a 皮革和 PLP 的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b 皮革和 PLP 的楊氏模量。c 皮革和 PLP 的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。d,e 樣品的透氣性。f 小鼠成纖維細(xì)胞在培養(yǎng)基中培養(yǎng) 24 小時(shí)和 48 小時(shí)后（有無 PLP 傳感器）的對照圖像。g 各組小鼠成纖維細(xì)胞存活率的定量分析。h 皮革、PLP 和 PDMS 的水蒸氣透過率 (WVTR)。i-k PLP 的柔韌性、輕質(zhì)性和承載能力。l 皮革和 PLP 的降解過程。

圖4. PLP 的傳感性能。a PLP 的相對電容隨施加壓力的變化。b,c 在不同壓力 (1–40 kPa) 和不同頻率 (1–100 mm/s) 下進(jìn)行三個(gè)循環(huán)的穩(wěn)定性測試。 d 檢測限為 20 Pa。e PLP 的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間。f 在 100 g 的預(yù)加載壓力下，檢測額外的微小壓力（1 g、2 g、2 g）。g PLP 在 20 kPa 下進(jìn)行 10000 次加載/卸載循環(huán)測試。h 本研究與文獻(xiàn)中其他研究在五個(gè)性能指標(biāo)上的比較。i PLP 在壓力加載過程中的傳感機(jī)制。j PLP 在不同壓力加載下的應(yīng)力分布和電場分布的有限元分析結(jié)果。

圖5. 人體運(yùn)動(dòng)檢測應(yīng)用。電容響應(yīng)：a 喉部吞咽，b 肘部彎曲，c 手指彎曲，d 膝部彎曲，e 行走，f 跑步，g 跳躍。信息傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用。h 莫爾斯電碼表。莫爾斯電碼字符的波形：i 110，j 911，k SOS，l HELP，m SUST。

圖6. 觸覺手套的測試。 a. 觸覺手套在不同姿態(tài)下的數(shù)字圖像：i. 伸展?fàn)顟B(tài)；ii. 抓取狀態(tài)。b. 觸覺手套抓取以下物品的數(shù)字曲線圖：i. 空紙杯；ii. 裝水紙杯；iii. 電容變化。c. 觸覺手套抓取以下物品的數(shù)字曲線圖：i. 空燒杯；ii. 裝水燒杯；iii. 電容變化。d. 觸覺手套抓取以下物品的數(shù)字曲線圖：i. 空燒杯；ii. 裝水燒杯；iii. 電容變化。

圖7. PLP傳感器與傳統(tǒng)組裝傳感器的穩(wěn)定性對比測試。a,b. PLP傳感器與傳統(tǒng)組裝傳感器經(jīng)10000次摩擦循環(huán)后的相對電容變化。c,d. PLP傳感器與傳統(tǒng)組裝傳感器經(jīng)10000次彎曲循環(huán)后的相對電容變化。

圖8. PLP傳感器的佩戴舒適性。所制備傳感器、空白樣品和皮革對a,b金黃色葡萄球菌和c,d大腸桿菌的抗菌性能。 e 皮革和PLP在1倍太陽輻射下的紅外圖像。f 皮革和PLP在不同環(huán)境下加熱后的數(shù)字圖像和紅外圖像。g 皮革和PLP的電磁干擾屏蔽性能。

來源：柔性傳感及器件