复旦团队研发柔性压力传感薄膜每秒可反馈30多个数据点

该传感膜具有较薄的厚度（0.7mm），可感知范围从人体轻微抚摸到激烈碰撞（1.84Pa 至 530kPa），每秒可反馈 30 多个数据点，低压力区间灵敏度达到 9.89kPa-1，且在 1 万次循环测试后并未表现出性能衰减。

整体来看，这款柔性压力传感薄膜兼具极宽的压力传感范围与精良的灵敏度。

其余，由于其性能覆盖范围较广，在实际运用中不须要进行选型和适配，因此，险些可以胜任所有日常场景。

在干系论文中，研究团队演示了这款传感器检测指尖按压等眇小力的能力，还演示了它在日常行走等场景下检测大区间颠簸压力的能力。

该团队卖力人认为，随着传感器体积的不断减小，未来这款器件可以更好地与各种其他器件相结合，实现更智能、更友好的人机交互，从而用于虚拟现实、康健关怀等领域。

据先容，柔性材料具有更加精良的弹性，能在受到外力时产生更大的本体形变，从而实现更高的传感灵敏度。

同时，由于其材料优柔，在与人体交互时，可以供应更友好、更舒适的反馈，因此非常适宜用于力学传感。

其余，传统压力传感器的终极产品形态是一整块金属，其体积常日大于 8 立方厘米，柔性压力传感器则是一层优柔的弹性薄膜。
因此，无论从本钱还是形态而言，后者都是一类更为空想的传感器。

但是，该领域目前面临的一个问题是：这类传感器的几个紧张参数比如灵敏度、量程、相应韶光等，很难同时达到良好的水平。
因此，虽然已经涌现不少创新性研究成果，但在实际运用中依旧难以落地。

为了寻求打破，研究团队在传感器设计过程中，同时考虑了灵敏度、量程、稳定性、相应韶光、检测限、薄膜厚度等六个影相应用的关键参数。

这六个参数实在是相互制约的，比如高灵敏度会限定检测限和传感量程，而要想实现较大的传感量程则须要通过提高器件厚度来实现。
但是，弹性材料厚度的增加，会延长变形后的规复韶光，降落相应韶光等。

为此，研究团队受人体手部皮肤的传感办法的启示，从材料的构造和弹性模量这两个维度进行协同设计。

在材料构造上，研究职员制备了具有阵列微构造的非对称互锁构造，该构造犹如在碗口蒙了一张紧绷的牛皮。

当在其上放置一颗苹果，如果苹果上受到压力，就会使牛皮发生变形，从而得到传感旗子暗记。
由于只有空气阻力，以是这款传感器表现出非常精良的检测限与灵敏度。

在弹性模量设计上，研究职员使传感器在受压方向上，具有从软到硬的梯度分布，尽可能担保传感器在受力越来越大的情形下，其变形的几何增量坚持稳定，从而避免旗子暗记过快突变，这助力于实现较大的量程和较薄的厚度。

在将这两种设计理念领悟之后，让之前的短板得到了补足，从而很好地平衡了不同参数的性能。

（来源：Advanced Functional Materials）

本研究的第一步是确定体系构造。

研究职员最初想借鉴以前事情中的想法，即利用微球阵列来制备小尺寸凹坑/穹顶微构造的方法。
但是，在经由一番摸索之后，他们创造，小尺寸的微构造对付传感范围的提升帮助较小。

在调研大量文献之后，研究职员决定采取 3D 打印制备大尺寸模板的方案，并将传统的对称构造改进为非对称互锁构造，从而为本次传感器超宽的传感范围供应了根本。

本研究的第二步是选择传感机理。

在综合考虑目前柔性传感中的主流传感机制之后，研究职员认为电容式传感旗子暗记比较稳定，构造也相对大略，与此前设计的非对称互锁梯度模量构造十分契合。

确定传感机制之后，还须要进行中间介电层的材料选取。
期间，研究职员利用了却构化电极的交联工艺，通过大量的样品制备和性能测试，终极模拟人体皮肤，设计了却构化电极和介电层梯度弹性模量的构造。

经由上述设计，非对称互锁构造可以确保高灵敏度并实现超宽范围的压力监测。

本研究的末了一步是在实际运用中展示该器件的性能。

研究团队聚焦于如今办公族和职业电竞选手逐年高发的手部疾病问题，研制并搭建了一个集识别、反馈和调节为一体的智能可调节鼠标。

得益于该传感器的精良性能，这款智能鼠标在利用时，能够进行实时自我调节，从而有助于缓解利用者手部的长期利用疲倦。
这为下一代柔性传感在康健医疗和人机交互领域的运用供应了新的思路。

终极，干系论文以《用于超宽压电容压力传感运用的具有模量梯度的不对称互锁构造》（An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications）为题发在 Advanced Functional Materials[1]。

图 | 干系论文（来源：Advanced Functional Materials）

复旦大学博士生马言是第一作者，复旦大学石澜青年副研究员和武利民教授担当共同通讯作者。

图 | 石澜（来源：石澜）

研究中，研究职员还迸发出一个非常奇妙的新灵感，该灵感使他们有希望实现一种迄今为止从未有过的新型压力传感器，它的独特特性可能会为全体行业注入新的活力。

“然而，为了保持研究的创新性，详细信息我们暂时还不能透露。
”石澜表示。

研究职员还谈到，在进行柔性压力传感的研究中，有时候会有一种无从下手的觉得，由于目前这一领域给人一种仿佛所有问题都已办理，但又仿佛都没有办理的觉得。

详细而言，柔性材料内部相对疏松的分子构造使其在实验室条件下展现出许多令人惊叹的性能，然而在大规模生产的条件下，要实现高度同等性与传感精度却充满寻衅。

正是这一特性让这类器件间隔真正走进千家万户还须要走很长的路。
“因此，我想呼吁学界和业界能更频繁地互换，共同磋商运用难题的办理方案。
唯有如此，才能更好地将科研成果转化为切实可行的产品。
”石澜表示。

参考资料：

1.Ma, Y., Li, Z., Tu, S., Zhu, T., Xu, W., Chen, M., ... & Wu, L. (2023). An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications. Advanced Functional Materials, 2309792.

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