西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授&李迎春博士：双介电层和一体化电极结合的高性能柔性压力传感器

双介电层和一体化电极结合的高性能柔性压力传感器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，在柔性压力传感器领域取得了重要突破。他们在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“Capacitive Pressure Sensor Combining Dual Dielectric Layers with Integrated Composite Electrode for Wearable Healthcare Monitoring”的研究成果。该研究通过结合双介电层和一体化电极，开发出了一种高性能的柔性压力传感器。一、传感器设计与制备研究者采用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。这种制备方法简单、经济、稳定，且易于批量生产。其中，双介电层由优化的静电纺丝网络和微柱阵列构成，显著提高了传感器的灵敏度、检测范围、弹性和抗菌性能。同时，一体化柔性电极复合材料由碳纳米管(CNTs)、二维碳化钛Ti3C2Tx (MXene)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备而成，并通过微结构设计进一步提升了传感性能。二、传感性能该传感器具有低检测限和宽检测范围（1 Pa - 2 MPa），高灵敏度（0.091 kPa^-1），快响应时间（71 ms）和高稳定性（6000次稳定循环）。这些优异的性能使得该传感器在可穿戴设备和健康监测领域具有广阔的应用前景。三、传感机理与应用研究者通过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，揭示了传感器的传感机理。该传感器在轻微、中等和大力度三个阶段表现出不同的微结构变化，从而实现了对压力的精准感知。此外，该传感器还可以集成到鞋垫中，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。四、抗菌性能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。研究者通过在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小时，对TPU和TPU/AgNPs静电纺丝网络的抗菌性能进行了比较研究。结果发现，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了优异的候选材料。五、智能鞋垫设计与应用基于该压力传感器的优异性能，研究者制作了一个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。此外，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。这种智能鞋垫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。六、研究成果与展望该研究不仅为高性能柔性压力传感器的设计和制备提供了新的思路和方法，还为可穿戴设备和个性化医疗技术的发展提供了重要的参考。未来，该团队将继续深入研究柔性电子技术和可穿戴设备的应用，为推动医疗健康领域的科技进步做出更大的贡献。以下是研究中的部分图片展示：这些图片直观地展示了传感器的构建策略、传感性能、抗菌性能以及智能鞋垫的应用效果，进一步验证了该研究的创新性和实用性。