智能可穿戴電子設備能夠長時間連續監測生理指標，同時為用戶提供舒適的佩戴體驗，是醫療保健系統、人機交互和物聯網的核心組件。高性能柔性傳感器是智能可穿戴電子設備核心功能的基礎，為下一代設備的發展鋪平了道路。近年來，作為新一代電子設備的柔性壓力傳感器在人體運動檢測、健康檢測、人機交互和智能醫療等領域引起了廣泛關注。迄今為止，根據傳感機制，柔性壓力傳感器可分為壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式四類。與其他類型的壓力傳感器相比，柔性電容式壓力傳感器因其結構簡單、功耗低、穩定性高等優點而獨樹一幟。

目前，柔性電容式壓力傳感器的研究主要集中在靈敏度提升策略上。這些策略包括在介電層或電極層中引入界面微結構以增加接觸面積和壓力靈敏度，以及在介電層中加入導電填料以提高介電常數。盡管這些以性能為導向的方法已取得顯著進展，但工作穩定性仍然是制約其實際應用的根本挑戰。這種局限性的根本原因在于器件的多層結構：采用傳統粘合劑組裝的介電層和電極層組件缺乏牢固的界面結合。在外力作用下，層間脆弱的結合可能因粘合劑失效而分離，導致傳感性能下降。為了解決這個問題，在柔性電容式壓力傳感器的設計中，人們通常致力于增強介電層和電極層之間的有效結合，以提高傳感器的穩定性。事實上，已有若干研究報道了使用發泡TPU、PDMS和納米纖維膜等材料集成介電層和電極層，這些方法通過發泡工藝、界面微結構設計和直接油墨圖案化技術實現。Kong等人采用了一種選擇性發泡工藝，通過溶劑擴散誘導分子鏈纏結和氫鍵形成，從而在電極/介電層界面處形成梯度模量。Guo等人設計了一種具有堅韌界面的柔性電容式壓力傳感器，該傳感器采用層間機械匹配的準均質組成和互連微錐策略。Meng等人通過將導電電極直接圖案化到靜電紡絲電解質墊上，制備了一種適用于長期佩戴的高穩定性觸覺傳感器。盡管這些策略成功地避免了使用粘合劑，但它們仍然依賴于合成構建的界面來集成介電層和電極層。然而，這些系統在長時間應力作用下仍可能導致界面解耦。一種很有前景的替代方案是將介電層與電極層進行單片集成，這可以確保層間具有牢固的界面結合強度，并提高柔性電容式壓力傳感器的運行穩定性。同時，大多數聚合物基柔性傳感器的透濕性和透氣性不足，這會影響佩戴舒適度并限制其在人體上的長期使用。因此，迫切需要開發一種采用簡單可靠且衛生性能優異的集成介電層和電極層的柔性電容式壓力傳感器。

皮革是一種由膠原纖維編織而成的綠色天然材料，因其透氣性、機械性能、生物相容性、柔韌性和佩戴舒適性等優點，已被廣泛應用于可穿戴電子產品。皮革由粒面層和真皮層組成，其固有的三維網絡和層級結構有利于功能材料的負載，使其成為柔性壓力傳感器的理想基材。一方面，皮革天然的層級結構和厚度與傳感器所需的多層結構相匹配；另一方面，皮革的層間結構能夠為傳感器提供牢固的界面結合。目前，皮革已被應用于壓阻傳感和摩擦電傳感領域。然而，關于基于皮革的柔性電容式壓力傳感器的研究報道仍然有限。因此，開發具有一體化介電層-電極集成的高穩定性柔性電容式壓力傳感器至關重要，這得益于皮革天然的層級結構和生物相容性。

雖然穩健的傳感穩定性對于傳感器的實際應用至關重要，但考慮到環境的復雜性，在動態環境中部署可穿戴設備對材料的功能提出了更高的要求。這不僅包括優異的穿戴性能（例如透氣性、透濕性和機械性能），還包括對佩戴者舒適度的關注。值得推薦的新一代智能電子產品必須具備以下舒適性特性：（1）抗菌性能，能夠有效抑制細菌生長，幫助佩戴者抵抗細菌和微生物的入侵，這對于可穿戴設備的長期使用至關重要。（2）光熱轉換能力，能夠將光能轉化為熱能，在戶外或極端環境下保持體溫，并應對熱管理方面的挑戰。 （3）電磁干擾（EMI）屏蔽性能，能夠吸收或反射普遍存在的電磁輻射，從而達到保護人體健康和精密儀器的目的，適用于新一代可穿戴電子產品。然而，由于在電子產品設計中同時實現穩定的傳感性能和滿足上述要求面臨著巨大的挑戰，新一代智能可穿戴電子產品的發展仍然受到限制。

本文亮點

1. 本工作報道了一種利用皮革天然層級結構實現的介電層和電極層一體化柔性電容式壓力傳感器（PLP）。

2. 該PLP不僅同時實現了高靈敏度（0.0076 kPa?1，< 8.8 kPa）和快速響應時間（39/40 ms），而且還具有優異的循環穩定性（超過10000次）。

3. PLP還展現出優異的穿戴性能（機械性能、透氣性和水蒸氣透過率）。該PLP材料可抵抗超過90%的金黃色葡萄球菌（S. aureus）和大腸桿菌（E. coli），在1000 W m?2的太陽光強度下，其表面溫度可提升至74.8 ℃，并能有效衰減電磁波30 dB以上。

圖文解析

圖1. PLP的設計與制備。a. PLP的制備流程。b. 大尺寸PLP的數碼照片。c. PLP的結構示意圖。d. PLP傳感器在人體傳感中的應用示意圖。e. PLP傳感器在抗菌、光熱轉換和電磁干擾屏蔽等多功能應用概念的示意圖。

圖2. PLP的微觀形貌和化學結構。a-d. 皮革面和纖維面的數碼照片和掃描電鏡（SEM）圖像。e-h. PLP面和纖維面的數碼照片和掃描電鏡（SEM）圖像。i. PLP橫截面的掃描電鏡（SEM）圖像。j-l. PLP上下電極層和中間介電層的掃描電鏡（SEM）圖像。m-n. PLP的示意圖和光學圖像。o. PLP橫截面超景深顯微鏡圖像。p. 皮革和PLP的傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）。q. 皮革和PLP的X射線衍射（XRD）圖譜。r. 電導率/柔軟度與吡啶單體用量的關系。 s 皮革、PPy 和 PLP 的拉曼光譜。

圖3. PLP 的可穿戴性能。a 皮革和 PLP 的拉伸應力-應變曲線。b 皮革和 PLP 的楊氏模量。c 皮革和 PLP 的拉伸強度和斷裂伸長率。d,e 樣品的透氣性。f 小鼠成纖維細胞在培養基中培養 24 小時和 48 小時后（有無 PLP 傳感器）的對照圖像。g 各組小鼠成纖維細胞存活率的定量分析。h 皮革、PLP 和 PDMS 的水蒸氣透過率 (WVTR)。i-k PLP 的柔韌性、輕質性和承載能力。l 皮革和 PLP 的降解過程。

圖4. PLP 的傳感性能。a PLP 的相對電容隨施加壓力的變化。b,c 在不同壓力 (1–40 kPa) 和不同頻率 (1–100 mm/s) 下進行三個循環的穩定性測試。 d 檢測限為 20 Pa。e PLP 的響應/恢復時間。f 在 100 g 的預加載壓力下，檢測額外的微小壓力（1 g、2 g、2 g）。g PLP 在 20 kPa 下進行 10000 次加載/卸載循環測試。h 本研究與文獻中其他研究在五個性能指標上的比較。i PLP 在壓力加載過程中的傳感機制。j PLP 在不同壓力加載下的應力分布和電場分布的有限元分析結果。

圖5. 人體運動檢測應用。電容響應：a 喉部吞咽，b 肘部彎曲，c 手指彎曲，d 膝部彎曲，e 行走，f 跑步，g 跳躍。信息傳輸領域的應用。h 莫爾斯電碼表。莫爾斯電碼字符的波形：i 110，j 911，k SOS，l HELP，m SUST。

圖6. 觸覺手套的測試。 a. 觸覺手套在不同姿態下的數字圖像：i. 伸展狀態；ii. 抓取狀態。b. 觸覺手套抓取以下物品的數字曲線圖：i. 空紙杯；ii. 裝水紙杯；iii. 電容變化。c. 觸覺手套抓取以下物品的數字曲線圖：i. 空燒杯；ii. 裝水燒杯；iii. 電容變化。d. 觸覺手套抓取以下物品的數字曲線圖：i. 空燒杯；ii. 裝水燒杯；iii. 電容變化。

圖7. PLP傳感器與傳統組裝傳感器的穩定性對比測試。a,b. PLP傳感器與傳統組裝傳感器經10000次摩擦循環后的相對電容變化。c,d. PLP傳感器與傳統組裝傳感器經10000次彎曲循環后的相對電容變化。

圖8. PLP傳感器的佩戴舒適性。所制備傳感器、空白樣品和皮革對a,b金黃色葡萄球菌和c,d大腸桿菌的抗菌性能。 e 皮革和PLP在1倍太陽輻射下的紅外圖像。f 皮革和PLP在不同環境下加熱后的數字圖像和紅外圖像。g 皮革和PLP的電磁干擾屏蔽性能。

來源：柔性傳感及器件