近日，澳門大學應(yīng)用物理及材料工程研究院助理教授周冰樸的研究團隊設(shè)計出一種新穎的復合介電體，實現(xiàn)了穿戴式柔性電容式觸覺傳感器的高靈敏度和超寬線性范圍的同步優(yōu)化。該器件在無外部供電的狀態(tài)下亦能夠正常運作，可以應(yīng)用于健康監(jiān)測、人機交互及智能控制等不同領(lǐng)域。該研究成果已獲國際頂級學術(shù)期刊《先進材料》（Advanced Materials）發(fā)表。

近年來，柔性可穿戴傳感器件因其在健康醫(yī)療、電子皮膚及智能交互等諸多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而吸引了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的電容式柔性觸覺傳感器因介電層的非線性介電行為和機械變形的限制，其有效工作范圍往往局限于10~100 kPa量級，且難以在檢測靈敏度和線性范圍等關(guān)鍵參數(shù)進行有效的同步優(yōu)化，成為制約其進一步面向?qū)嶋H應(yīng)用的重要原因之一。寬線性范圍及高靈敏度的共存，能夠確保器件在不同壓力范圍均保持出色的檢測性能，既有利于在不同場景下的應(yīng)用拓展，亦簡化了后續(xù)電信號的提取及分析。

受人體皮膚結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究團隊設(shè)計出一種由低介電的微纖毛陣列和高介電的粗糙表面及微穹頂陣列構(gòu)成的復合介電體。該復合介電體具有梯度式的介電特性和可壓縮性，能夠在不同壓力作用下實現(xiàn)低、高介電組分的串并聯(lián)轉(zhuǎn)換，以滿足介電性能和機械性能隨壓力的線性變化，從而實現(xiàn)了電容式傳感器件在高達1000 kPa的超寬范圍內(nèi)維持線性工作及穩(wěn)定的靈敏度。該復合介電體同樣適用于摩擦發(fā)電式觸覺傳感器，其線性介電行為以及復合結(jié)構(gòu)既可實現(xiàn)等效面電荷密度隨壓力的線性變化，又可增強接觸起電及靜電感應(yīng)。因此，該傳感器亦可作為一種自供電檢測設(shè)備，在同樣高達1000 kPa的超寬壓力范圍內(nèi)，有效地將外力刺激線性地轉(zhuǎn)換為電壓信號，對人體的健康特征及體動等進行實時的監(jiān)測。

基于同步實現(xiàn)的高靈敏度和超寬線性范圍，傳感器可在很寬的壓力范圍內(nèi)維持對壓力的高分辨率。因此，傳感器件不僅可以感知不同應(yīng)用場景中人體的生理信號（如脈搏、呼吸），用于健康監(jiān)測，還可組合施加的外力，將電容或電壓信號編碼為控制指令，用于人機交互及智能控制。由于控制指令的輸出可完全由單個傳感器件實現(xiàn)，避免了多傳感元件集成化的需求以及復雜的信號處理和轉(zhuǎn)換。該復合介電體的設(shè)計解決了傳統(tǒng)介電體的介電行為和機械行為難以分別調(diào)控的問題，為高性能柔性觸覺傳感器的發(fā)展提供了新穎的策略。

論文的第一作者為澳門大學應(yīng)用物理及材料工程研究院博士生冀冰。此項研究由澳門特別行政區(qū)科學技術(shù)發(fā)展基金（文件編號：0037/2018/A1）及澳門大學（文件編號：MYRG2017-00089-FST, MYRG2018-00063-IAPME）資助。