電子皮膚設計對高靈敏度和寬線性范圍的追求是永恒的；不幸的是，這兩個關鍵參數通常是相互排斥的。盡管通過材料特定或復雜的結構設計在獲得高靈敏度和寬線性范圍方面取得的成功有限，但解決這些參數之間的沖突仍然是一個關鍵挑戰(zhàn)。
最近，受人體體感系統的啟發(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-真皮分層結構，以調和高靈敏度和寬線性之間的矛盾。這種分層結構使電子皮膚 (e-skin) 傳感器的線性感應范圍達到 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出低檢測限（1.1 Pa）、快速響應（~80 ms）以及出色的穩(wěn)定性和重現性（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。這種結構可能會促進對新興柔性電子產品的結構設計和性能調節(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)、表皮和真皮的相應形態(tài)。(c) 傳統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) 原位化學還原和離子誘導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的壓力分布。
相關論文以題為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院長春應用化學研究所王振新研究員、廣州大學牛利教授。
