摘要

电子皮肤的设计对高灵敏度和宽线性范围这两个参数的追求是永恒不变的。然而，这两个关键参数通常是相互排斥的。尽管通过选取特定的材料或复杂的结构设计，我们在同时获得高灵敏度和宽线性范围方面取得了有限的成功，但解决这些参数之间的冲突仍然是一个关键挑战。

受到人体体感系统的启发，并基于还原氧化石墨烯（rGO）/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）气凝胶，广州大学牛利课题组提出了毛发-表皮-真皮分层结构来调和高灵敏度和宽线性之间的矛盾。这种分层结构使电子皮肤传感器（e-skin）的线性感应范围达到30 kPa，而不会牺牲高灵敏度(137.7 kPa-1)，揭示了克服上述冲突的有效策略。此外，电子皮肤传感器还表现出低检测限（1.1 Pa）、快速响应（~80 ms）以及出色的稳定性和重现性（超过10000次循环）；因此，e-skin平台能够检测小气流并监测人体脉搏甚至声音引起的振动。这种结构可能会促进对新兴柔性电子产品的结构设计和性能调节的持续研究。

引言

天然人体皮肤包括毛发、表皮和真皮成分，形成了超级复杂的体感系统。这为皮肤传感器的结构制造和性能增强设计带来了丰富的灵感。通常，啮齿动物的胡须等毛发允许皮肤通过感应探头杆的应变来捕捉微小的压力。

受人类皮肤特殊的毛发-表皮-真皮结构的启发，本文提出了一种具有类皮肤分层结构的rGO/PEDOT：PSS气凝胶电子皮肤触觉传感器，调和了高灵敏度和宽线性之间的冲突。气凝胶是在电沉积锌微结构表面上通过原位化学还原和离子诱导界面凝胶化过程的组合制备的。由于相互连接的rGO/PEDOT:PSS网络在扩散和凝胶化过程中的自阻塞效应，通过随后的冷冻干燥获得了微结构锌电极上的梯度多孔rGO/PEDOT:PSS气凝胶（图1a）。

图1 (a)人体皮肤和毛发-表皮-真皮气凝胶电极的示意图。(b)气凝胶电极的仿生毛发、表皮和真皮的相应形态。(c)传统和目前的电子皮肤传感器之间的灵敏度和线性范围的比较。(d)基于rGO/PEDOT:PSS气凝胶的电子皮肤传感器的制造过程。

表面毛状微结构、多孔夹层和微结构锌电极分别起到毛发、表皮和真皮的作用。基于这些毛发-表皮-真皮层级结构，制造的电子皮肤传感器实现了高灵敏度(137.7 kPa-1)和从100 Pa到30 kPa的宽线性范围。此外，该电子皮肤传感器具有出色的精确检测100 Pa以下微小压力的能力，响应速度快，循环稳定性好。这项工作可能为各种结构材料和高性能电子皮肤传感器的设计提供见解。

图2 (a)原位化学还原和离子诱导界面凝胶化过程的示意图。(b)rGO/PEDOT:PSS气凝胶电极的横截面SEM图像和相应的氧(O)、锌(Zn)、碳(C)和硫(S)的EDX映射图像。(c)rGO/PEDOT:PSS气凝胶膜的表面形态。(d)纯rGO、PEDOT:PSS和rGO/PEDOT:PSS气凝胶的拉曼光谱。(e)PEDOT:PSS、rGO和rGO/PEDOT:PSS气凝胶的XPS概览光谱。(f)rGO/PEDOT:PSS气凝胶的解卷积Zn 2p峰。

图3 (a)相对电流随施加压力的变化。(b)在0到100 Pa之间的小压力范围内的相对电流变化。(c)在0、20、40、60、80和130 Pa的阶梯式压力下的电流信号。(d)在连续重复施加压力下，皮肤传感器的电流响应与时间的函数。(e)19 kPa下3000次加载和卸载循环后的电流信号。(f)基于毛发-表皮-真皮分层微结构的电子皮肤传感器的电阻模型示意图。(g)rGO/PEDOT:PSS气凝胶电极在连续压缩变形过程中的演变示意图。

图4 rGO/PEDOT:PSS气凝胶电子皮肤传感器与之前报道的压力传感器之间的灵敏度和线性范围的比较。

图5 rGO/PEDOT:PSS气凝胶电子皮肤传感器的应用。(a)电子皮肤传感器对气流引起的细微压力的电流响应。(b)电子皮肤传感器对来自大米、绿豆、红豆、黑豆、蚕豆和花生的细微压力的当前响应。(c)(a)和(b)中对微小压力的相对电流响应与电子皮肤传感器在微小压力状态下的ΔI-P曲线一致。(d)贴在人体手腕上的电子皮肤传感器，用于脉搏监测。(e)高保真脉冲波形和(f)相应的频谱。

图6 (a)rGO/PEDOT:PSS气凝胶语音检测器的结构示意图。（b）压力传感器和（c）高度敏感的电流响应信号和相应的STFT结果。（d）“hello”和（e）“graphene”的英国和美国发音的当前信号和相应的频谱。

图7 5像素×5像素电子皮肤传感器阵列的示意图和照片。(b)瓶子、(c)胶带环和(d)电子皮肤传感器阵列上的离心管的照片以及相应的压力分布。

结论

我们报道了一种rGO/PEDOT:PSS气凝胶，它具有受毛发-表皮-真皮启发的分层结构，用于调节电子皮肤传感器的灵敏度和线性度。e-skin传感器显示出卓越的传感性能，表现出高灵敏度（0-100 Pa时为251.9 kPa-1；0.1-30 kPa时为137.7 kPa-1）、线性范围宽（0-30 kPa）、快速响应时间(80 ms)、低检测限(1.1 Pa)以及超过10000次加载-卸载循环的良好稳定性。基于rGO/PEDOT:PSS气凝胶的电子皮肤传感器对100 Pa以下的微小压力表现出高精度检测。基于出色的传感性能，电子皮肤传感器在多种条件下显示出潜在的应用，例如气流检测，人体手腕脉搏监测，语音识别。该工艺具有方法简单、重现性好、适合大批量生产的特点。这项工作还提供了一种在各种基材上制备rGO/PEDOT:PSS气凝胶电极的方法，展示了柔性电子产品的潜在前景。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05199?ref=pdf