厦门大学/香港理工大学《自然·通讯》：​共同破解压力传感器“高灵敏与宽线性量程不可兼得”的困境

厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院周伟教授团队与香港理工大学机械工程学系姚海民教授团队合作，在柔性传感器研究领域取得突破性进展。他们提出并验证了一种称之为“力-电非线性协同”的压力传感器设计新策略，并以此突破了传统压力传感器“高灵敏度和宽线性量程不可兼得”的困境。相关研究成果以“Nonlinearity synergy: An elegant strategy for realizing high-sensitivity and wide-linear-range pressure sensing”为题，于2023年10月20日在线发表在国际顶级综合期刊Nature Communications上（DOI : 10.1038/s41467-023-42361-9）。

1．研究背景

柔性压力传感器是智能机器人和可穿戴设备不可或缺的核心功能部件之一。在过去的二十年里，研究人员已开发出各种高灵敏度或宽线性量程的柔性压力传感器。要实现机器人的灵巧性，如抓取重量未知或娇嫩易碎的物体，需要灵敏度高和线性量程宽的压力传感器。然而，对于现有大多数柔性压力传感器而言，高灵敏度和宽线性量程就像“鱼和熊掌”一样，不可兼得。这极大地阻碍了智能机器人的发展。因此，亟需开展传感器设计新策略研究，突破“鱼和熊掌”不可兼得的传感器性能困境，研制高灵敏度和宽线性量程兼备的柔性压力传感器。

2．研究内容

该研究工作针对目前柔性压力传感器无法兼备高灵敏度（大于10 kPa-1）和宽线性量程（大于1 MPa）的问题，提出了一种全新的传感器设计策略和制造工艺，所制造的柔性压力传感器同时具备了高灵敏度（24.6 kPa-1）和超宽线性量程（1.4 MPa）的性能，其线性影响因子（灵敏度×量程）远高于目前报道的其他大部分压阻式柔性压力传感器。

（1）非线性协同设计新策略

建立传感器的“应力-应变”和“电流变化率-应变”关系的力电耦合模型，研究压力敏感层的非线性电学性能及力学调节器的非线性力学性能对传感器线性度的协同调控机理，提出了柔性压力传感器的非线性协同设计新策略（如图1所示）。

图1 非线性协同设计新策略示意图

（2）传感器结构与制造工艺

根据灵敏度提升及线性量程拓宽的需求，设计了双面金字塔多孔导电微结构（Double-sided pyramidal carbon foam，DPyCF）和力学调节器（Stiffness regulator，SR）分别作为压力敏感层和压力缓冲层，层叠封装形成传感器整体结构，被定义为DPyCF@SR，其结构如图2a所示。基于三维动态聚焦激光加工技术，实现对传感器压力敏感层和力学调节器的高精度、高效制造。同时，采用高温热解工艺，使金字塔多孔结构获得导电性，并一步缩小了微金字塔结构的尺寸（体积缩小约90%），如图2b所示。

图2 (a) DPyCF@SR柔性压力传感器结构示意图；(b) DPyCF@SR柔性压力传感器制造工艺流程

（3）性能及应用集成

实验测试了所研制的高灵敏度-宽线性量程柔性压力传感器的灵敏度（图3a）、样品一致性、循环稳定性（图3b）、最小检测极限压力和响应时间等性能指标，并开展了高载荷预压下的微小压力分辨（图3c-e）、机器人智能抓取（图4）、生理信号检测和密码-压力双重加密（人机交互，图5）应用研究。

图3 (a) DPyCF@SR传感器性能标定结果；(b) DPyCF@SR传感器5万次循环加载测试结果；(c-e) 车辆预压下的高灵敏压力分辨：1.5吨重轿车载重量变化监测

图4 (a) 配有DPyCF@SR传感器机器人抓40 g豆腐块；(b) 配有Tekscan商用传感器机器人抓40 g豆腐块；(c) 配有DPyCF@SR传感器机器人抓900 g铁块；(d) 配有Tekscan商用传感器机器人抓900 g铁块

图5（a）密码-压力双重加密锁系统示意图；（b）基于 Unity3D 的密码-压力双重加密锁用户界面；（c-d）一次不成功的尝试和一次成功的解锁尝试

该研究工从柔性压力传感器的结构设计制造、敏感机制、性能测试及应用方面展开了系统研究，并在高载荷预压下的微小压力分辨、机器人智能抓取等方面取得了良好的实际应用效果。论文提出了一种全新的“力-电”耦合非线性协同设计策略，突破了高灵敏度和宽线性量程不可兼得的困境，为柔性压力传感器的设计提供了新方法和新思路，而且对其他同类高性能柔性压力传感器的设计制造具有重要指导和借鉴意义。

该研究工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金项目（52325507）、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目（U21A20136）、国家自然科学优秀青年科学基金项目（51922092）、国家自然科学基金青年科学基金项目（52205606）和厦门市重大科技计划（3502Z20231009）项目的资助和支持。

该论文以厦门大学为第一单位，第一作者是厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院的博士研究生陈锐，厦门大学周伟教授和香港理工大学姚海民教授为共同通讯作者。同时，该研究工作还得到了厦门大学罗涛、谢瑜、秦利锋、张金惠等老师的指导和帮助，参与本研究工作的有厦门大学硕士研究生王锦成、王任鹏和张晨。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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