中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
近日，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊研發(fā)出一款能勝任各類日常使用場景的通用型柔性壓力傳感薄膜。
該傳感膜具有較薄的厚度（0.7mm），可感知范圍從人體輕微撫摸到激烈碰撞（1.84Pa 至 530kPa），每秒可反饋 30 多個數(shù)據(jù)點(diǎn)，低壓力區(qū)間靈敏度達(dá)到 9.89kPa-1，且在 1 萬次循環(huán)測試后并未表現(xiàn)出性能衰減。
整體來看，這款柔性壓力傳感薄膜兼具極寬的壓力傳感范圍與優(yōu)異的靈敏度。由于這款器件的形態(tài)是柔軟的薄膜，因此可被輕松部署于多種設(shè)備的內(nèi)部或表面。
另外，由于其性能覆蓋范圍較廣，在實(shí)際應(yīng)用中不需要進(jìn)行選型和適配，因此，幾乎可以勝任所有日常場景。
在相關(guān)論文中，研究團(tuán)隊演示了這款傳感器檢測指尖按壓等微小力的能力，還演示了它在日常行走等場景下檢測大區(qū)間波動壓力的能力。
該團(tuán)隊負(fù)責(zé)人認(rèn)為，隨著傳感器體積的不斷減小，未來這款器件可以更好地與各類其他器件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更智能、更友好的人機(jī)交互，從而用于虛擬現(xiàn)實(shí)、健康關(guān)懷等領(lǐng)域。
據(jù)介紹，柔性材料具有更加優(yōu)異的彈性，能在受到外力時產(chǎn)生更大的本體形變，從而實(shí)現(xiàn)更高的傳感靈敏度。
同時，由于其材料柔軟，在與人體交互時，可以提供更友好、更舒適的反饋，因此非常適合用于力學(xué)傳感。
另外，傳統(tǒng)壓力傳感器的最終產(chǎn)品形態(tài)是一整塊金屬，其體積通常大于 8 立方厘米，柔性壓力傳感器則是一層柔軟的彈性薄膜。因此，無論從成本還是形態(tài)而言，后者都是一類更為理想的傳感器。
但是，該領(lǐng)域目前面臨的一個問題是：這類傳感器的幾個主要參數(shù)比如靈敏度、量程、響應(yīng)時間等，很難同時達(dá)到良好的水平。因此，雖然已經(jīng)出現(xiàn)不少創(chuàng)新性研究成果，但在實(shí)際應(yīng)用中依舊難以落地。
為了尋求突破，研究團(tuán)隊在傳感器設(shè)計過程中，同時考慮了靈敏度、量程、穩(wěn)定性、響應(yīng)時間、檢測限、薄膜厚度等六個影響使用的關(guān)鍵參數(shù)。
這六個參數(shù)其實(shí)是互相制約的，比如高靈敏度會限制檢測限和傳感量程，而要想實(shí)現(xiàn)較大的傳感量程則需要通過提高器件厚度來實(shí)現(xiàn)。但是，彈性材料厚度的增加，會延長變形后的恢復(fù)時間，降低響應(yīng)時間等。
為此，研究團(tuán)隊受人體手部皮膚的傳感方式的啟發(fā)，從材料的結(jié)構(gòu)和彈性模量這兩個維度進(jìn)行協(xié)同設(shè)計。
在材料結(jié)構(gòu)上，研究人員制備了具有陣列微結(jié)構(gòu)的非對稱互鎖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如同在碗口蒙了一張緊繃的牛皮。
當(dāng)在其上放置一顆蘋果，如果蘋果上受到壓力，就會使牛皮發(fā)生變形，從而獲得傳感信號。因?yàn)橹挥锌諝庾枇?，所以這款傳感器表現(xiàn)出非常優(yōu)異的檢測限與靈敏度。
在彈性模量設(shè)計上，研究人員使傳感器在受壓方向上，具有從軟到硬的梯度分布，盡可能保證傳感器在受力越來越大的情況下，其變形的幾何增量維持穩(wěn)定，從而避免信號過快突變，這助力于實(shí)現(xiàn)較大的量程和較薄的厚度。
在將這兩種設(shè)計理念融合之后，讓之前的短板得到了補(bǔ)足，從而很好地平衡了不同參數(shù)的性能。
（來源：Advanced Functional Materials）
本研究的第一步是確定體系結(jié)構(gòu)。
研究人員最初想借鑒以前工作中的想法，即使用微球陣列來制備小尺寸凹坑/穹頂微結(jié)構(gòu)的方法。但是，在經(jīng)過一番摸索之后，他們發(fā)現(xiàn)，小尺寸的微結(jié)構(gòu)對于傳感范圍的提升幫助較小。
在調(diào)研大量文獻(xiàn)之后，研究人員決定采用 3D 打印制備大尺寸模板的方案，并將傳統(tǒng)的對稱結(jié)構(gòu)改進(jìn)為非對稱互鎖結(jié)構(gòu)，從而為本次傳感器超寬的傳感范圍提供了基礎(chǔ)。
本研究的第二步是選擇傳感機(jī)理。
在綜合考慮目前柔性傳感中的主流傳感機(jī)制之后，研究人員認(rèn)為電容式傳感信號比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)也相對簡單，與此前設(shè)計的非對稱互鎖梯度模量結(jié)構(gòu)十分契合。
確定傳感機(jī)制之后，還需要進(jìn)行中間介電層的材料選取。期間，研究人員使用了結(jié)構(gòu)化電極的交聯(lián)工藝，通過大量的樣品制備和性能測試，最終模仿人體皮膚，設(shè)計了結(jié)構(gòu)化電極和介電層梯度彈性模量的結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過上述設(shè)計，非對稱互鎖結(jié)構(gòu)可以確保高靈敏度并實(shí)現(xiàn)超寬范圍的壓力監(jiān)測。
本研究的最后一步是在實(shí)際應(yīng)用中展示該器件的性能。
研究團(tuán)隊聚焦于如今辦公族和職業(yè)電競選手逐年高發(fā)的手部疾病問題，研制并搭建了一個集識別、反饋和調(diào)節(jié)為一體的智能可調(diào)節(jié)鼠標(biāo)。
得益于該傳感器的優(yōu)異性能，這款智能鼠標(biāo)在使用時，能夠進(jìn)行實(shí)時自我調(diào)節(jié)，從而有助于緩解使用者手部的長期使用疲勞。這為下一代柔性傳感在健康醫(yī)療和人機(jī)交互領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。
最終，相關(guān)論文以《用于超寬壓電容壓力傳感應(yīng)用的具有模量梯度的不對稱互鎖結(jié)構(gòu)》（An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials[1]。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Functional Materials）
復(fù)旦大學(xué)博士生馬言是第一作者，復(fù)旦大學(xué)石瀾青年副研究員和武利民教授擔(dān)任共同通訊作者。
圖 | 石瀾（來源：石瀾）
研究中，研究人員還迸發(fā)出一個非常奇妙的新靈感，該靈感使他們有希望實(shí)現(xiàn)一種迄今為止從未有過的新型壓力傳感器，它的獨(dú)特特性可能會為整個行業(yè)注入新的活力。
“然而，為了保持研究的創(chuàng)新性，具體信息我們暫時還不能透露?！笔癁懕硎尽?/p>
研究人員還談到，在進(jìn)行柔性壓力傳感的研究中，有時候會有一種無從下手的感覺，因?yàn)槟壳斑@一領(lǐng)域給人一種仿佛所有問題都已解決，但又仿佛都沒有解決的感覺。
具體而言，柔性材料內(nèi)部相對松散的分子結(jié)構(gòu)使其在實(shí)驗(yàn)室條件下展現(xiàn)出許多令人驚嘆的性能，然而在大規(guī)模生產(chǎn)的條件下，要實(shí)現(xiàn)高度一致性與傳感精度卻充滿挑戰(zhàn)。
正是這一特性讓這類器件距離真正走進(jìn)千家萬戶還需要走很長的路?！耙虼?，我想呼吁學(xué)界和業(yè)界能更頻繁地交流，共同探討應(yīng)用難題的解決方案。唯有如此，才能更好地將科研成果轉(zhuǎn)化為切實(shí)可行的產(chǎn)品?！笔癁懕硎?。
