金年会南方科技大学材料科学与工程系郭传飞教授、中国科学技术大学近代力学系王柳教授金年会、中国商用飞机有限责任公司陈迎春研究员研究团队合作开发了一种超快响应的电子皮肤，相关论文以“Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10 kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces”为题发表在学术期刊团队深入研究了微结构界面对电容型柔性压力传感器响应-恢复速度的影响，将此类传感器的频率带宽从数百赫兹扩展至至少12500 Hz，为推动电容型柔性压力传感器从动态压力检测到声学领域应用提供了新思路。
电容型柔性压力传感器因其能够同时检测静态和动态压力，加之其信号稳定性，而被广泛研究与应用。理论上，作为介电层的软材料对动态压力的响应时间可以达到纳秒级别，响应频率带宽可到亿赫兹水平。然而，实际的研究结果显示，这类传感器的响应时间通常在数十毫秒（相当于数十赫兹的频率带宽），和理论预期的极限有多个数量级的差距。这一显著的差异主要除了来源于材料的粘弹性，还和电极与介电层界面在动态加载与卸载过程中的能量耗散密切相关。然而，过去十多年时间里，微结构界面的能量耗散对响应速度的影响并没有被人们所认识到金年会。
研究团队通过有限元模拟，发现了粘附-脱附过程中微结构界面可以带来显著的能量耗散，降低器件的响应速度（图1）。针对该问题，研究团队采用微结构界面的一体化粘接技术，结合弹性体-碳纳米管的渗流转变传感机制，在保证较高灵敏度的同时将传感器的响应速度提升至12500 Hz水平。通过采用掺杂碳纳米管降低粘弹性，结合粘接的微结构界面减少界面摩擦耗散，实现了传感器的超快响应金年会。
图1. 具有非粘接和粘接微结构界面的传感器在加载和卸载过程中的能量损失对比、粘合微结构界面的传感器的响应-恢复时间
这种具有超快响应的柔性压力传感器可以检测高频振动。研究团队证明了该传感器能够在100 kPa的静压下可检测到500、4000、8000和12500 Hz的叠加振动信号（图2）。
团队基于该传感器进一步设计一种人工耳系统，并利用该系统进行声音检测。团队将该传感器的测试结果与商用麦克风和传统的具有非粘接微结构界面的传感器进行对比，发现该传感器可以获得与商用麦克风几乎一致的声音识别能力，证明了其在声学领域的应用潜力（图3）。
图3 具有粘合和非粘合微结构界面的传感器及商用麦克风对声音的识别能力对比
该研究提供了对电容型柔性压力传感器响应-恢复速度的新理解，提出了提升这类传感器响应-恢复速度的策略，大幅拓展了其频率带宽，为柔性压力传感器应用于声学领域及其他场景提供了新的可能性。
南方科技大学材料系博士研究生张愿、中国科学院深圳先进技术研究院高级工程师周小猛、中国科学技术大学近代力学系硕士研究生张念为该论文的共同第一作者，郭传飞教授、王柳教授和陈迎春研究员为该论文的共同通讯作者，南方科技大学为该论文的第一通信单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省科技厅和深圳市科创委的支持。
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