近日，澳門(mén)大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院助理教授周冰樸的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種新穎的復(fù)合介電體，實(shí)現(xiàn)了穿戴式柔性電容式觸覺(jué)傳感器的高靈敏度和超寬線性范圍的同步優(yōu)化。該器件在無(wú)外部供電的狀態(tài)下亦能夠正常運(yùn)作，可以應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互及智能控制等不同領(lǐng)域。該研究成果已獲國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）發(fā)表。

近年來(lái)，柔性可穿戴傳感器件因其在健康醫(yī)療、電子皮膚及智能交互等諸多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而吸引了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的電容式柔性觸覺(jué)傳感器因介電層的非線性介電行為和機(jī)械變形的限制，其有效工作范圍往往局限于10~100 kPa量級(jí)，且難以在檢測(cè)靈敏度和線性范圍等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行有效的同步優(yōu)化，成為制約其進(jìn)一步面向?qū)嶋H應(yīng)用的重要原因之一。寬線性范圍及高靈敏度的共存，能夠確保器件在不同壓力范圍均保持出色的檢測(cè)性能，既有利于在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用拓展，亦簡(jiǎn)化了后續(xù)電信號(hào)的提取及分析。

受人體皮膚結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種由低介電的微纖毛陣列和高介電的粗糙表面及微穹頂陣列構(gòu)成的復(fù)合介電體。該復(fù)合介電體具有梯度式的介電特性和可壓縮性，能夠在不同壓力作用下實(shí)現(xiàn)低、高介電組分的串并聯(lián)轉(zhuǎn)換，以滿足介電性能和機(jī)械性能隨壓力的線性變化，從而實(shí)現(xiàn)了電容式傳感器件在高達(dá)1000 kPa的超寬范圍內(nèi)維持線性工作及穩(wěn)定的靈敏度。該復(fù)合介電體同樣適用于摩擦發(fā)電式觸覺(jué)傳感器，其線性介電行為以及復(fù)合結(jié)構(gòu)既可實(shí)現(xiàn)等效面電荷密度隨壓力的線性變化，又可增強(qiáng)接觸起電及靜電感應(yīng)。因此，該傳感器亦可作為一種自供電檢測(cè)設(shè)備，在同樣高達(dá)1000 kPa的超寬壓力范圍內(nèi)，有效地將外力刺激線性地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)人體的健康特征及體動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

基于同步實(shí)現(xiàn)的高靈敏度和超寬線性范圍，傳感器可在很寬的壓力范圍內(nèi)維持對(duì)壓力的高分辨率。因此，傳感器件不僅可以感知不同應(yīng)用場(chǎng)景中人體的生理信號(hào)（如脈搏、呼吸），用于健康監(jiān)測(cè)，還可組合施加的外力，將電容或電壓信號(hào)編碼為控制指令，用于人機(jī)交互及智能控制。由于控制指令的輸出可完全由單個(gè)傳感器件實(shí)現(xiàn)，避免了多傳感元件集成化的需求以及復(fù)雜的信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換。該復(fù)合介電體的設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)介電體的介電行為和機(jī)械行為難以分別調(diào)控的問(wèn)題，為高性能柔性觸覺(jué)傳感器的發(fā)展提供了新穎的策略。

論文的第一作者為澳門(mén)大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院博士生冀冰。此項(xiàng)研究由澳門(mén)特別行政區(qū)科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金（文件編號(hào)：0037/2018/A1）及澳門(mén)大學(xué)（文件編號(hào)：MYRG2017-00089-FST, MYRG2018-00063-IAPME）資助。