觸覺感知是一種基本能力，使生物體能夠感知和響應機械刺激，從而與環境進行復雜的相互作用。人體皮膚配備了專門的機械感受器，可以檢測到從輕微振動到持續壓力的各種力，從而實現精確的物體操縱和感官反饋。這種特殊的傳感能力是由細胞膜上的離子運輸驅動的，細胞膜在機械變形時產生電信號，形成生物傳感系統的基礎。在靜止狀態下，細胞相對于細胞外環境保持-40 mV至-80 mV的細胞內負電位，這是由離子濃度梯度建立的。當施加機械刺激時，機械感受器膜會變形，觸發離子通道打開并產生編碼刺激信息的動作電位。復制這種生物機制的努力使人工觸覺傳感器取得了重大進展，特別是在機器人、人機界面和可穿戴設備中的應用。因此，高分辨率觸覺傳感器與人工智能和機器人的集成實現了更直觀的人機交互。然而，雖然壓電和摩擦電設備是自供電的，對動態力反應迅速，但它們依賴于電子傳輸，導致與基于生物離子的信號阻抗不匹配。此外，它們的剛性結構會導致與軟生物表面的模量不匹配，限制了一致性和長期穩定性。它們也很難檢測到靜態力，因為它們的信號產生依賴于瞬態電荷位移。相比之下，離子電子傳感器利用離子傳輸，模仿生物感覺機制。這實現了無縫的生物電子集成、連續的靜態和動態力檢測以及增強的機械適應性。它們柔軟、靈活和生物相容的特性允許與生物系統進行有效的接口連接，使其非常適合可穿戴生物電子、機器人皮膚和人機界面。

在離子電子設備中，壓電觸覺傳感器因其高靈敏度和適應復雜表面的能力而脫穎而出，這使得它們在需要精確和連續力檢測的應用中特別有利。壓電效應發生在機械應力誘導離子運動的地方，由于離子遷移率的差異導致電荷不平衡。這種機制涉及離子的選擇性傳輸，當一種離子優先于其抗衡離子移動時，會產生極化，從而產生凈電荷不平衡。這種機制類似于在生物細胞膜中觀察到的Donnan電位，提供了連續、自供電傳感的優勢，而不需要外部電源。與其他自供電傳感機制不同，如壓電和摩擦電效應，它們只在瞬時機械刺激下產生電信號，壓電傳感器可以使用自發電能連續檢測動態力和靜態環境變化。它們產生自供電信號、檢測負載方向以及對靜態和動態刺激做出響應的能力在各種應用中都具有獨特的優勢。然而，目前的壓電離子電子設備受到緩慢的離子傳輸動力學和相對較低的靈敏度的限制。

本文亮點

1. 本工作提出了一種多層壓電離子傳感器，該傳感器結合了帶正電和帶負電的表面層，以產生受控的電荷梯度。這種設計增強了離子遷移率，降低了離子對之間的結合能，加速了電荷再分配，從而顯著提高了傳感性能。

2. 所提出的傳感器實現了1.2 μA的增強輸出電流和19 ms的快速響應時間，與單層設計相比，具有優越的傳感性能。

3. 該傳感器有效地檢測靜態和動態力，包括用于表面紋理檢測的振動刺激，并通過區分方向和強度來實現氣流映射。

圖文解析

圖1. 具有P-N帶電層的多層壓電傳感器的設計原理和特性。（a）顯示磷脂排列和由此產生的膜電位分布的生物脂質雙層圖。（b）仿生P-N帶電層結構，顯示界面處的離子分布和雙電層（EDL）形成。（c）展示帶電層和可移動離子（EMIM+和TFSI-）之間靜電相互作用的操作機制，在機械刺激下增強離子解離。（d）電流響應比較，顯示多層結構在雙向彎曲變形下的靈敏度提高了約3倍。（e）橫截面SEM圖像和EDS圖，顯示了PSS中Na+和PDDA層中Cl-的明顯三層結構（比例尺：10 μm）。（f）開路電壓測量，顯示多層器件與單層配置相比的固有電位差（約40 mV）。

圖2. 多層壓電傳感器中的表面電勢分析和離子分布特征。（a）PDDA（頂部）和PSS（底部）薄膜的表面電勢圖，顯示了它們不同的電荷特性。（b）PDDA基板上不同厚度的活性層的FT-IR光譜，顯示TFSI-濃度隨離界面距離的變化。（c）PDDA界面附近的離子分布示意圖，描繪了由靜電相互作用形成的EMIM+主導區域。（d）PSS基板上不同厚度的活性層的FT-IR光譜，表明離子分布穩定。（e）PSS界面附近離子分布的示意圖，顯示了TFSI-主導區域。（f）基于DFT的結合能計算，用于（i）TFSI-–EMIM+離子對（3.22 eV），（ii）PDDA-TFSI-–EMIM+相互作用（1.13 eV）和（iii）PSS-EMIM+–TFSI-相互作用（0.75 eV），證明帶電層附近的結合能降低。

圖3. 多層傳感器的壓電傳感能力。（a）不同彎曲狀態下傳感器中的離子分布示意圖：（i）無刺激的平衡，（ii）向右彎曲，（iii）向左彎曲。（b）電信號響應，顯示定向彎曲循環下的電壓和電流輸出。（c）5°至60°彎曲角度的電壓和電流響應。（d）不同離子含量（5-20wt%）的阻抗特性，顯示電荷弛豫頻率的變化。（e）時間響應時間分析，顯示優化的19ms響應時間。（f）表面紋理識別，通過短時傅里葉變換光譜模式區分不同粗糙度的砂紙（i–v樣品）。（g）循環穩定性試驗，顯示5000次彎曲循環的一致性能。

圖4. 單層和多層傳感器壓電性能的比較。（a）單層傳感器在彎曲變形（5°、30°和60°）下的電流響應。（b）用于在具有梯度粗糙度的表面上進行粗糙表面掃描的單層傳感器的STFT光譜圖案。（c）多層傳感器在彎曲變形（5°、30°和60°）下的電流響應，以及（d）單層傳感器在具有梯度粗糙度的表面上進行粗糙表面掃描的STFT光譜圖。色階條指示STFT強度級別。（e）單層傳感器的奈奎斯特圖，顯示了體膜和EDL特性。（f）單層配置中離子分布的示意圖。（g）單層傳感器的等效電路模型。（h）修改了多層傳感器的等效電路模型，考慮了離子積累效應。（i）頻率相關tan?δ曲線顯示電荷弛豫頻率隨著彎曲變形角度的增加而偏移。（j）松弛時間與彎曲角度之間的關系。

圖5. 多層壓電傳感器的聲音檢測和氣流傳感能力。（a）比較壓電傳感器和用于錄制莫扎特《費加羅序曲的婚禮》的商用麥克風之間的聲音檢測的頻譜。揚聲器聲音的聲壓級為40-80dB。（b）語音識別能力，顯示波形和相應的頻譜，根據頻率分布區分男性和女性語音成分。（c）氣流方向傳感性能，顯示對應于不同流向的相反峰值的電流響應。（d）氣流速率傳感性能，顯示傳感器在增加氣流速率下的彎曲和相應的電流信號（i–vi連續圖像）。（e）八角形傳感器陣列設計，使風向標應用成為可能。（f）定量氣流測量能力，在不同壓力水平下以高精度顯示一致的傳感器響應。

來源：柔性傳感及器件