本文发表于 *Advanced Science*，第一作者为 Young-Eun Shin，通讯作者为 Hyunhyub Ko，研究机构为韩国蔚山科学技术院（Ulsan National Institute of Science and Technology, UNIST）能源与化学工程学院，论文于2022年1月24日在线发表。

本研究属于柔性电子与多功能传感器领域，旨在解决现有多模态电子皮肤结构复杂、功耗高、信号易干扰等问题。人类皮肤通过真皮层中的机械感受器和温度感受器同时感知压力与温度，而传统人工电子皮肤通常需要集成不同工作原理的传感器来分别检测不同刺激，这导致了制造工艺复杂、成本高昂以及器件结构笨重。此外，多数多模态传感器依赖外部电源供电，限制了其在可穿戴和便携式系统中的应用。因此，开发一种结构简单、自供电、能够在单一器件中同时区分压力和温度刺激的电子皮肤具有重要意义。本研究受人体皮肤表皮-真皮互锁微结构启发，利用铁电共聚物聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）（P(VDF-TrFE)）的互锁微结构，基于摩擦电效应（triboelectric effect）和热释电效应（pyroelectric effect）实现机械与温度刺激的同时检测。

研究的主要目标是通过微结构工程增强铁电极化，从而提高传感器的输出性能和灵敏度。传统上，P(VDF-TrFE)薄膜在外加电场极化后可获得压电、热释电及摩擦电响应，但平面结构的极化效率有限。本文提出了一种“互锁双层极化”（interlocked bilayer poling）方法，即在具有互锁微结构的两层P(VDF-TrFE)薄膜之间施加电场。由于微结构尖端曲率半径急剧变化，电场在微结构界面处发生局域集中，这种效应类似于“避雷针效应”（lightning rod effect），可显著增强铁电聚合物的偶极子取向。有限元模拟（FEM）结果表明，互锁微圆顶结构中的电场强度和极化值远高于平面结构，从而为提升摩擦电输出性能提供了物理基础。

在实验流程方面，研究首先通过微模塑工艺制备了具有不同形貌（平面、圆顶、金字塔、柱状）的P(VDF-TrFE)微结构薄膜，并通过改变微结构尺寸（直径10、20、40 μm）和叠层组合方式（平面-平面、圆顶-平面、圆顶-圆顶）系统优化了器件结构。将P(VDF-TrFE)溶液旋涂在微结构聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具上，经干燥、退火后转移至镍/铜织物电极上。随后进行电晕极化，对于互锁结构采用双层同时极化，使得上下两层分别获得相反的极化方向，从而在摩擦电对中分别充当正、负摩擦材料。研究使用扫描电子显微镜（SEM）表征了微结构形貌；利用COMSOL Multiphysics软件模拟了不同结构在1.4 kV极化电压下的电场分布和极化强度；通过推拉测试装置施加周期性的力和温度刺激，使用示波器和源表分别记录开路电压和短路电流输出。

实验结果显示，与非极化平面结构（NP-P）相比，互锁微圆顶结构经过双层极化后的摩擦电输出电流提高了约46倍。在0.1至98 kPa的宽压力范围内，传感器表现出三段不同的灵敏度，其中低压区（<3.92 kPa）的压力灵敏度达到2.2 V kPa⁻¹。这一高灵敏度归因于互锁微结构带来的应力集中效应和接触面积急剧变化，以及极化增强导致的表面电荷密度增加。在温度传感方面，互锁结构中的微间隙和微接触点使得热刺激能够有效传递，而无需传统摩擦电器件中较大的空气间隔。传感器在-20至+30 °C的温度变化范围内表现出热释电响应，冷却和加热状态下的灵敏度分别为0.27 nA °C⁻¹和0.16 nA °C⁻¹。由于空气热导率远低于P(VDF-TrFE)薄膜，互锁微结构中约1.9 μm的微小间隙显著减小了热阻，从而实现了优异的温度探测和非接触式近感传感能力。

更重要的是，该器件在同一单元中能够同时检测压力和温度刺激，并通过信号特征进行解耦。摩擦电响应的响应时间和恢复时间分别为0.06 s和0.11 s，而热释电响应的响应时间和恢复时间分别为0.14 s和0.58 s。利用两者不同的电子流动方向和响应时间，可以从耦合信号中区分压力与温度信息。当热物体（ΔT > 0）与压力同时施加时，摩擦电峰和热释电峰方向相同；当冷物体（ΔT < 0）与压力同时施加时，两个峰方向相反。通过提取热释电电流差（ΔI_pyro）和摩擦电电流（I_tribo），可以分别获得温度和压力的定量信息。与已报道的多模态传感器相比，该器件在无外部偏压、无额外间隔层的条件下实现了同时的、可区分的压力和温度检测，同时具有结构简单、厚度薄、灵敏度高等优点。

在应用展示方面，该传感器成功实现了颈动脉脉搏压的实时监测，能够分辨出主脉搏波（P1）和来自外周反射的波峰（P2、P3），并计算脉搏增强指数（AIr）和往返时间（t_r），为心血管健康评估提供了可能。运动前后脉搏率从83 bpm升高到133 bpm，信号强度也随之增大，反映了心输出量的增加。此外，传感器对声波具有快速响应能力，能够在高达3 kHz的频率范围内检测声音信号。通过短时傅里叶变换（STFT）分析，器件能够区分不同表面纹理的粗糙度和扫描速度，显示出在触觉感知和机器人皮肤中的应用前景。研究还制备了3×3的传感器阵列，成功绘制了不同位置处同时施加的压力和温度分布图，进一步验证了该器件在空间分辨多模态传感中的可行性。

本研究的创新点在于：提出了利用互锁微结构增强铁电极化的新策略，克服了传统平面结构极化效率低的问题；在单一器件中实现了摩擦电和热释电双机理的协同工作，无需额外间隔层即可同时检测压力和温度；通过响应时间和电流方向的差异实现了多刺激信号的解耦，避免了复杂的信号处理电路和外部电源。该工作为自供电多功能电子皮肤的设计提供了新的思路，在健康监测、人机交互、机器人触觉以及人工智能系统等领域具有重要的应用价值。