基于“双介质层+一体化电极”的电容式压力传感器设计

足部活动可以反映人体的许多生理异常，因此运动步态成为健康监测中的重要指标。用于步态监测的柔性传感器的研究集中在高灵敏度、宽工作范围、快速响应和低检测限等方面，但在弹性、抗菌活性、用户友好性和长期稳定性等方面仍然存在挑战。

2024年2月28日，西安电子科技大学郝跃院士团队的常晶晶教授和李迎春博士作为通讯作者在《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志在线发表了题为“Capacitive Pressure Sensor Combining Dual Dielectric Layers with Integrated Composite Electrode for Wearable Healthcare Monitoring”的工作。该研究通过设计双介电层和一体化电极制备了一种低检测限和宽检测范围、高灵敏、快响应和高稳定的柔性电容式压力传感器，并基于此集成可穿戴设备用于步态监测，可以帮助老人、小孩和中风患者警示摔倒风险和步态异常。该柔性压力传感器的双介电层、一体化电极和微结构设计赋予了智能鞋垫优异的传感性能、回弹性、抗菌活性、佩戴舒适性及长期稳定性功能；集成该传感器制备的智能鞋垫还具有准确辨别机械刺激的能力，可以通过足底压力分布识别健康状况，随时随地做用户的健康管家。

 

【文章要点】

通过静电纺丝技术和模板法制备了一种集成了双层介电层和多层微结构的柔性电容压力传感器，制作方法简单、经济、稳定、易于批量生产。其中，基于优化的静电纺丝网络和微柱阵列制备双介电层，显著提高了传感器的灵敏度、检测范围、弹性和抗菌性能；采用碳纳米管(CNTs)、二维碳化钛Ti3C2Tx (MXene)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备一体化柔性电极复合材料，并通过微结构设计提高传感性能，在电导率、稳定性、灵敏度和实用性方面具有协同优势。此外，将所报道的压力传感器与便携式微型检测仪集成设计了一种智能鞋垫，并将采集到的数据无线传输到手机，为实时监测步态和无创检测疾病提供了前沿的解决方案，为未来可穿戴设备和个性化医疗技术的提供参考（图1）。

图1 压力传感器的构建策略、传感机理和应用示意图

采用有限元分析模拟了传感器微结构在压缩过程中的应力分布和应力变化，发现在压缩过程中，传感机理可分为轻微、中等和大力度三个阶段，分别对应多层结构传感器中不同层的微结构变化。文中设计了力电耦合平台进一步研究电容式压力传感器的传感性能，研究发现该传感器具有低检测限和宽检测范围（1 Pa - 2 MPa）、高灵敏(灵敏度0.091 kPa⁻¹)、快响应（71 ms响应时间）和高稳定（6000 次稳定循环）的特点（图2）。

图2 压力传感器的传感性能研究

所开发的电容式压力传感器具有优异的压力传感特性，可以集成到鞋垫中，用于识别步态和足底压力分布，有助于糖尿病足和中风等疾病的早期诊断和预警。但由于长期穿着没有抗菌活性的鞋垫会促进有害细菌的生长，因此良好的抗菌性能对智能鞋垫也非常重要。还通过在37℃下共培养革兰氏阴性菌大肠杆菌(E. coli)和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S. aureus) 12 h，对TPU和TPU/AgNPs静电纺丝网络的抗菌性能进行了比较研究，发现TPU/AgNPs电纺丝膜具有良好的抗菌活性，为智能鞋垫和其他可穿戴医疗保健产品提供优异的候选材料（图3）。

图3 TPU和TPU/AgNPs静电纺丝网络的抗菌性能

基于该压力传感器优异的性能，本文还制作了一个4×4的压力传感器阵列，可以检测出不同物体在传感器阵列上的压力分布。还将8个压力传感器与便携式设备集成在一起制成智能鞋垫，并通过蓝牙传输数据信号和提示到手机，可以随时随地进行运动监测和疾病预警。例如，通过步伐的频率变化进行运动计数；通过观察行走过程中足跟、足底和前足压力分布的变化，反映中风患者和糖尿病患者的步态变化；通过对压力位置、频率或幅度的突然异常信号感知，触发跌倒警告，对老人和小孩的监护非常有帮助（图4）。

图4 4×4传感器阵列上不同物体的压力分布以及由8个传感器组成的智能鞋垫上的足底压力分布

以上研究成果由西安电子科技大学李欣樾（硕士生）、西北大学刘彦楠副教授、西安电子科技大学丁雅蓉（硕士生）、张苗博士、林珍华教授、郝跃院士、李迎春博士和常晶晶教授共同完成。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省自然科学基金、数字医学工程全国重点实验室和中央高校基本科研业务费等项目的资助。

 

 

 

 

审核编辑：刘清