電子皮膚設(shè)計對高靈敏度和寬線性范圍的追求是永恒的；不幸的是，這兩個關(guān)鍵參數(shù)通常是相互排斥的。盡管通過材料特定或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計在獲得高靈敏度和寬線性范圍方面取得的成功有限，但解決這些參數(shù)之間的沖突仍然是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
最近，受人體體感系統(tǒng)的啟發(fā)，科研人員提出了基于還原氧化石墨烯/聚（3,4-乙撐二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）氣凝膠的毛發(fā)-表皮-真皮分層結(jié)構(gòu)，以調(diào)和高靈敏度和寬線性之間的矛盾。這種分層結(jié)構(gòu)使電子皮膚 (e-skin) 傳感器的線性感應(yīng)范圍達(dá)到 30 kPa，而不會犧牲高靈敏度 (137.7 kPa-1)，揭示了克服上述沖突的有效策略。此外，電子皮膚傳感器還表現(xiàn)出低檢測限（1.1 Pa）、快速響應(yīng)（~80 ms）以及出色的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性（超過 10 000 次循環(huán)）；因此，e-skin 平臺能夠檢測小氣流并監(jiān)測人體脈搏甚至聲音引起的振動。這種結(jié)構(gòu)可能會促進(jìn)對新興柔性電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能調(diào)節(jié)的持續(xù)研究。
圖 1. (a) 人體皮膚和毛發(fā)-表皮-真皮氣凝膠電極的示意圖。(b) 氣凝膠電極的仿生毛發(fā)、表皮和真皮的相應(yīng)形態(tài)。(c) 傳統(tǒng)和我們目前的電子皮膚傳感器之間的靈敏度和線性范圍的比較。(d) 基于 rGO/PEDOT:PSS 氣凝膠的電子皮膚傳感器的制造過程。
圖 2. (a) 原位化學(xué)還原和離子誘導(dǎo)界面凝膠化過程的示意圖。(b) rGO/PEDOT:PSS 氣凝膠電極的橫截面 SEM 圖像和相應(yīng)的氧 (O)、鋅 (Zn)、碳 (C) 和硫 (S) 的 EDX 映射圖像。(c) rGO/PEDOT:PSS 氣凝膠膜的表面形態(tài)。(d) 純 rGO、PEDOT:PSS 和 rGO/PEDOT:PSS 氣凝膠的拉曼光譜。(e) PEDOT:PSS、rGO 和 rGO/PEDOT:PSS 氣凝膠的 XPS 概覽光譜。(f) rGO/PEDOT:PSS 氣凝膠的解卷積 Zn 2p 峰。
圖 7. 5 像素 × 5 像素電子皮膚傳感器陣列的示意圖和照片。(b) 瓶子、(c) 膠帶環(huán)和 (d) 電子皮膚傳感器陣列上的離心管的照片以及相應(yīng)的壓力分布。
相關(guān)論文以題為Skin-Inspired Hair–Epidermis–Dermis Hierarchical Structures for Electronic Skin Sensors with High Sensitivity over a Wide Linear Range發(fā)表在《ACS Nano》上。通訊作者是中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所王振新研究員、廣州大學(xué)牛利教授。
